Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > машиностроение
Название:
Оптимізація та дослідження технологічного процесу лазерного руйнування металу

Тип: Магистр
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: машиностроение

Цена:
12 руб



Подробное описание:

Зміст
Введення
Розділ 1. Фізичні основи руйнування металів лазерним способом
1.1 Характеристика способів руйнування металів
1.2 Фізичні основи руйнування металів лазерним способом.
1.3 Обладнання для руйнування металів лазерним способом
Розділ 2. Технологічний процес руйнування металів лазерним способом.
2.1 Структура та принцип дії лазерної установки.
2.2 Режими обробки
2.3 Якість лазерної різки
2.5 Ремонт та обслуговування лазерної установки.
2.6 Вартість лазерної різки
2.7 Преспективи використання лазерної різки
Розділ 3. Оптимізація процесу лазерного руйнування металів
3.1. Аналіз факторів, які беруть участь в технологічному процесі лазерної різки металів
3.2. Порівняння якості руйнування металів різними методами: лазерним із струминним охолодженням, стркминно-лазерним ті гідро-абразивним
3.3. Чисельне моделювання процесів лазерного руйнування листових матеріалів
3.3.1. Механізм лазерного різання
3.3.2. Розробка чисельних моделей процесів лазерного різання металевих листових матеріалів
3.4. Дослідження лазерного руйнування кристалів металів під дією випромінювання лазера CaF2 : Ег3+ (λ=2,76 мкм)
3.4.1. Описання установки і методика експеремента
3.4.2. Експериментальні результати та їх обговорення
Висновок
Література

 

Введення
Лазерна техніка переживає період інтенсивного розвитку. Широке застосування отримали лазери для обробки матеріалів, в тому числі заготовок виробів аерокосмічної техніки, що дозволило підвищити продуктивність праці в операціях обробки і контролю, поліпшити якість виготовлення, збільшити ресурс, забезпечити можливість повної автоматизації технологічних процесів.
Лазерне випромінювання має унікальність фізичних особливостей, високим ступенем монохроматичности, когерентності, що дає можливість фокусувати промінь лазера в пляма діаметром в декілька довжин хвиль.
Застосування лазерної технології на виробництві дозволяє істотно зменшити кількість технологічних етапів виготовлення виробу, знизити відсоток браку, підняти продуктивність процесу.
Області використання лазерів в різних сферах людської діяльності щорічно розширюються, швидко збільшується число типів лазерів різного призначення з довжинами хвиль генерації від ультрафіолетового та рентген-діапазону (менше 300 нм) до інфрачервоного діапазону (10600 нм), з різним рівнем потужності і різним тимчасовим режимом.
Частка листових деталей в сучасному машинобудуванні становить близько 70% [1, 2]. Їх отримують із застосуванням розділових операцій. В умовах масового і серійного виробництва такі операції найбільш ефективно виконувати штампуванням. Однак поряд з широкими технологічними можливостями листове штампування має ряд недоліків (складність і висока вартість виготовлення, експлуатації та ремонту штампів; технологічні обмеження по складності оброблюваного контуру; залежність якості різу від товщини матеріалу, затупления різальних крайок, порушення зазорів і ін.). В умовах одиничного виробництва для розділових операцій листового металу застосовують механічну обробку, але вона низької продуктивності, інструмент має високу вартість, утруднена обробка матеріалу з підвищеними механічними властивостями.
В умовах серійного виробництва все більш широке застосування отримують процеси фізико-технічної обробки, перш за все методи плазмового та лазерного різання, які інтенсивно розвиваються і успішно конкурують з штамповкой і обробкою різанням.
Лазерне різання ефективна при вирізанні складних контурів з тонколистового прокату. З огляду на високу вартість лазерного устаткування, його вигідно застосовувати в тих випадках, коли складно або неможливо застосовувати звичайні розділові технології. Лазер в таких випадках виступає в ролі унікального інструменту - такий інструмент не надає механічного впливу на матеріал, тому з його допомогою можна обробляти заготовки без обов'язкового надійного кріплення їх на робочому столі. Велика швидкість різання дає можливість значно підвищити продуктивність розкрійних операцій.
Високі температури, що розвиваються в зоні лазерного впливу, позво- ляють реалізувати кероване локальне руйнування і на основі цього створити високоефективні технологічні процеси лазерного різання. Різка може бути виконана як імпульсним, так і безперервним лазерним випромінюванням.
Сучасні методи математичного моделювання, в тому числі прогресивний метод скінченних елементів (МСЕ), дозволяють проводити аналіз процесів розмірної обробки матеріалів, отримувати результати, близькі до даних натурних експериментів, аналізувати розподіл теплових полів від точкових і розподілених джерел, визначати основні енергосилові параметри досліджуваних процесів і таким чином скоротити загальні фінансові витрати на проведення досліджень.
Мета роботи - розробка чисельність моделей процесів лазерного різання листових машинобудівних матеріалів типової номенклатури, що дозволяють аналізувати розподіл теплових полів від точкового джерела тепла у вигляді лазерного променя, що переміщається з різною швидкістю щодо розрізання заготовки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ 1. Фізичні основи руйнування металів лазерним способом
1.1 Характеристика способів руйнування металів
Сутність процесу, основні поняття і визначення
Обробка металів різанням — це процес зняття різальним інструментом шару металу заготовки (стружки) для надання виробу потрібної форми, заданих розмірів і чистоти поверхні. Види обробки металів різанням розрізняють залежно від конструкції різального інструмента, що застосовують, або від характеру руху інструмента і заготовки при обробці вручну чи на металорізальному верстаті.
Механічні способи
Механічні способи, незважаючи на появу більш сучасних і точних технологій, досі впевнено тримають свої позиції. А все чому? Справа в тому, що такі способи можна використовувати і у себе в гаражі, нікому за це не платячи, а крім того, навіть якщо у Вас не вистачає умінь і впевненості в собі — вартість послуг по різанню металу механічними способами набагато дешевше, своїх термічних аналогів.
Механічну обробку металу можна здійснити за допомогою:
Ножиці по металу;
Гільйотини;
Циркулярної пилки;
Стрічкового конвеєра;
Свердління;
Фрезерування;
Але ми з Вами детально розглядати кожен спосіб не будемо, зупинимося лише на найбільш цікавих і популярних.
Використання циркулярної пилки
Зрозуміло, для того, щоб розрізати лист металу циркулярною пилкою, звичайний диск не підійде. У цьому випадку застосовуються особливі диски:
Абразивні відрізні круги армовані;
Диски з напайками із твердих сплавів;
Перші використовуються для різання алюмінію, а другі справляються з будь-якими іншими металами більшої товщини.

Різання металу за допомогою циркулярної пили
Давайте розглянемо переваги і недоліки такого способу різання.
Переваги:
Висока точність і відмінна якість різання;
Можливість різати метал під будь-яким кутом;
Недоліки:
Занадто велика лінія різу, втрачається до 6 мм металу;
Обмеження пропилу до 1 сантиметра;
Не надто велика швидкість обробки;
Використання стрічкопильного верстата
Основним ріжучим елементом в цьому верстаті, є – пила, яка натягується на шківах. Стрічкопильний верстат призначений для різання труб, різних прутів арматури і т. д.
Можна різати абсолютно будь-які метали;
Мала втрата металу, за рахунок невеликої ширини різу;
Різання під кутом до 60 градусів;
Ідеальне якість кромки;
Використання гільйотини для рубки металу
Гільйотина дуже проста у використанні і володіє високою продуктивністю, однак, при цьому, товщина металу для цього виду різання не повинна перевищувати 20 мм.

Фото гільйотини для рубки металу
При відмінній якості реза і можливості поздовжньої і поперечної рубки, гільйотина має один дуже великий недолік і полягає він у тому, що їй практично не можливо обробляти метали для виготовлення складних деталей.
Термічні технології
Так звані термічні способи впливу на матеріал автоматизовані і як правило, виконуються без безпосереднього докладання фізичних зусиль людиною.
Вони є найбільш сучасними, точними і зручними, однак ціна на їх декілька вище, ніж на механічні способи обробки металу.
Існують три найбільш популярні термічні технології різання металу:
Лазерна;
Плазмова;
Газова (Киснева);
Перш, ніж почати огляд, хотілося б відзначити, що в принципі, у кожної з них є загальні риси і в той же час – кардинальні відмінності.
Лазерна технологія
При такій технології, метал кладеться на спеціальні установки і пристрої, в основі яких містяться лазери – волоконні, твердотільні, або ж газові і при їх допомозі розрізається.
Різка може здійснюватися безперервно, або імпульсно, в залежності від обраного режиму.

Фото процесу лазерного різання
Незважаючи на те, що технологія лазерного різання має дуже велику популярність, кількість підприємств використовують її – не так вже велика.
Це обумовлено досить великою вартістю таких установок, що робить їх недоцільними при купівлі для дрібних виробництв.
завдяки дії лазера на метал, тобто шляхом пропалювання. Звідси і переваги:
Можна обробляти метали будь-яких сплавів
Можливість обробки крихких матеріалів, за рахунок відсутності фізичного контакту
Висока швидкість виробництва
Можливість використання креслень, малюнків та начерків на комп’ютері, для різання без похибок;
Плазмова технологія
Плазмова різка виробляється шляхом плавлення металу теплом плазмового струменя. різання досить непогано поширена на різних виробництвах і ось чому:
Висока швидкість різання;
Відмінна якість різу;
Низька вартість газів для плавлення;
Невисока зона термічного нагріву;
Метал не деформується при різанні;
Різка плазмової струменем дозволяє обробляти неелектропровідний матеріал. Видалення розплаву також проводиться струменем з плазмової дуги.
Газова (киснева) технологія
Є найпоширенішим і дешевим методом різання металу серед термічних. Технологія газового різання, також називається кисневою. Принцип її роботи заснований на нагріванні металу, з подальшим її окисленням.
Кисень, спрямований потужним струменем – видаляє оксид після закінчення різання. Середня температура металу при різанні таким чином може досягати від 1000 до 1200 градусів.
Краще всього, він підходить для роботи з вуглецевої, низьколегованої і среднелегированной сталі.
наступним чином:
Низька вартість газового різання;
Кромка різу не потребує обробки;
Різання металу під будь-яким кутом;
Можливість різання металів з великою товщиною;
У висновку хотілося б відзначити, що технології не стоять на місці і постійно з’являються нові. Однією з найбільш передових технологій є – кріогенна.
Безумовно, для кожного конкретного випадку спосіб різання буде різним. Пропонуємо Вам ознайомитися з таблицею з порівняльними характеристиками наведених вище термічних способів впливу на метал.

1.2 Фізичні основи руйнування металів лазерним способом.
Ла́зерне рі́зання — технологія термічного різання й розкроювання матеріалів, при якій як джерело енергії використовується лазер високої потужності. Сфокусований лазерний промінь, керований системою числового програмного керування забезпечує високу концентрацію енергії й дозволяє розтинати практично будь-які матеріали незалежно від їх теплофізичних властивостей. Випромінювання, з енергетичними параметрами які достатні для використання лазерів при технологічних процесах розрізання (розкроювання), має діапазон довжини хвиль від 0,4 до 10,6мкм. Зокрема, для різання різних матеріалів найбільший ефект дає довжина хвилі 10,6 мкм, яка генерується газовими СО2-лазерами з активним середовищем суміші вуглецевого газу з азотом і гелієм. Випромінювання з цією довжиною хвилі добре поглинається більшістю неметалічних матеріалів і у дещо меншій мірі металевими сплавами. Матеріали з великим коефіцієнтом відбивання (мідь, алюміній) гірше піддаються лазерному різанню.
Загальні принципи
У процесі різання, під впливом лазерного променя матеріал у зоні розрізу плавиться, займається, випаровується та виноситься струменем газу, завдяки чому такий процес отримав назву «газолазерне різання». При використанні такої технології можна отримати вузькі прорізи з мінімальною зоною термічного впливу. Лазерне різання відрізняється відсутністю механічного впливу на матеріал оброблення завдяки чому при його використанні деформації, що виникають як у процесі різання, так і залишкові після повного остигання є мінімальними. Тому лазерне різання, навіть легкодеформованих й нежорстких заготовок та деталей, можна проводити з високим ступенем точності. Завдяки великій потужності лазерного випромінювання забезпечується висока продуктивність процесу у поєднанні з високою якістю поверхонь різання. Легке й порівняно просте керування переміщенням джерела лазерного випромінювання дозволяє проводити лазерне різання уздовж складного контура плоских та об'ємних деталей (заготовок) за високого ступеня автоматизації процесу.
Матеріали різання
Лазерне різання може застосовуватись до більшості видів сталі (маловуглецеві, низько- та високолеговані) у будь-якому стані у тому числі з покриттям, титану та його сплавів, цирконію, ніобію, танталу, нікелю і сплавів цих та інших кольорових металів. Зазвичай розрізають листи таких товщин:
Сталь від 0,2 мм до 20 мм
Неіржавна сталь від 0,2 мм до 50 мм
Алюмінієві сплави від 0,2 мм до 20 мм
Латунь від 0,2 мм до 12 мм
Мідь від 0,2 мм до 15 мм
Для різних матеріалів застосовують різні типи лазерів.
Найкраще обробляються метали з низькою теплопровідністю, так як в них енергія лазера концентрується у меншому об'ємі металу, і навпаки, при лазерному різанні металів з високою теплопровідністю може утворюватись ґрат.
Також, обробці піддаються і неметали, такі як деревина, пластмаси, шкіра, гума, натуральні та синтетичні тканини. Крім того можливе різання неорганічних матеріалів: кераміки, кварцу, порцеляни, скла, азбесту, графіту, тощо.
Різновиди процесів

Функціональна схема газолазерного різака.

Верстат Cincinnati CL-920 для лазерного різання (2 кВт, ітербієвий волоконний лазер)
Для лазерного різання металів застосовують технологічні установки на основі твердотільних, волоконних лазерів та вуглекислотних лазерів, що можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсно-періодичному режимах випромінювання. Промислове застосування газолазерного різання постійно зростає, хоча цей процес не може повністю замінити традиційні способи розділення металевих заготовок. У порівнянні з іншим устаткуванням для різання на виробництві вартість лазерного обладнання для різання є досить високою, хоча й намітилася тенденція до її зниження. У зв'язку з цим процес лазерного різання стає ефективним лише за умови обґрунтованого вибору області застосування, коли використання традиційних способів є трудомістким чи взагалі неможливим.
При різанні в імпульсному режимі безперервний розріз отримується в результаті послідовного накладення отворів один за одним. Імпульсний характер обробки забезпечує мінімальну глибину прогрівання матеріалу. Лазерні установки різних типів дозволяють вести обробку за наступних режимів: енергія випромінювання 0,1…1 мДж, тривалість імпульсу 0,01…100 мкс, густина потоку випромінювання досягає 100 МВт/см², частота імпульсів 100…5000 імп/с.
Лазери безперервної дії на вуглекислому газі потужністю від декількох сотень Вт до декількох кВт застосовують для газолазерного різання, при якому в зону дії лазерного променя подається струмінь газу. Газ вибирають залежно від виду оброблюваного матеріалу. При різанні дерева, фанери, пластиків, паперу, картону, текстильних матеріалів в зону обробки подається повітря або інертний газ, які охолоджують краї розрізу і перешкоджають згоранню матеріалу і розширенню розрізу. При різанні більшості металів, скла, кераміки струмінь газу видуває із зони дії променя розплавлений матеріал, що дозволяє отримувати поверхні з малою шорсткістю і забезпечує високу точність різання. При різанні маловуглецевих чи легованих сталей та титану в зону нагрівання подається струмінь кисню. В результаті екзотермічної реакції окиснення металу виділяється додаткове тепло, що дозволяє значно підвищити швидкість різання. Характерні режими газолазерного різання: потужність випромінювання 300…3000 Вт (для високопродуктивних установок – до 6 кВт), густина потоку випромінювання в зоні обробки від 100 до 106 кВт/см², ширина різу 0,3…1 мм товщина матеріалу, що розрізається, до 10 мм; швидкість різання залежить від товщини і властивостей оброблюваного матеріалу і може бути від 0,5 до 10 м/хв, для тонких матеріалів (папір, тканина) до 50 м/хв і більше.
Лазери на вуглекислому газі застосовують для різання крихких матеріалів (скло, кераміка) методом керованого термічного розколювання. При локальному нагріві матеріалу по траєкторії руху променя створюється термічне напруження, що перевищує границю міцності матеріалу. Тріщина, що виникає, розвивається услід за променем, траєкторія якого може мати складну форму. Швидкість різання досягає декількох м/хв. Кероване термічне розколювання застосовується при різанні скляних трубок у виробництві електровакуумних приладів, керамічних підкладок інтегральних схем, для різання листового та фасонного скла.
Енерго споживання та охолодження при роботі
Ефективність промислових лазерів може варіюватися від 5 % до 15 %. Енергоспоживання та ефективність будуть залежати від вихідної потужності лазера, його робочих параметрів і того, наскільки добре лазер підходить для конкретної роботи. При визначенні доцільності використання того чи іншого типу лазера враховується як вартість лазера в сукупності з обладнанням, що його обслуговує, так і вартість утримання та обслуговування лазера. У 2010-х роках експлуатаційні витрати оптоволоконного лазера становили близько половини від експлуатаційних витрат вуглекислотного лазера.
Лазер і його оптика (включаючи фокусуючі лінзи) потребують охолодження. Залежно від розмірів і конфігурації установки, надлишок тепла може бути відведено теплоносієм або повітряним обдуванням. Вода, що часто застосовується як теплоносій, зазвичай циркулює через теплообмінний апарат або холодильну установку.
Величина потужності, що споживається для різання, залежить від типу матеріалу обробки, його товщини, середовища обробки, швидкості обробки
Переваги
Лазерне різання має низку очевидних переваг перед багатьма іншими способами розрізування та розкрою а саме:
мала ширина різу і невелика глибина зони термічного впливу;
відсутність механічного контакту дозволяє обробляти крихкі і деформівні матеріали;
обробці легко піддаються матеріали з твердих сплавів;
можливим є високошвидкісне різання тонколистової сталі, що збільшує перспективи використання у крупносерійному виробництві;
відсутність шкідливих відходів при різанні склопластиків;
висока ефективність у дрібносерійному виробництві (при випуску невеликих партій продукції доцільніше провести лазерне розкроювання матеріалу, ніж виготовляти для цього дорогі прес-форми або форми для лиття);
простота автоматизації процесу: для автоматичного розкрою матеріалу досить підготувати файл малюнка в будь-якій креслярської програмі і перенести файл на комп'ютер установки, яка забезпечить мінімальні похибки;
оплавлення країв розрізу синтетичних текстильних матеріалів запобігає їх розпусканню
Лазерна порізка металу застосовується практично у всіх галузях промисловості, завдяки відсутності подальшої обробки і високої продуктивності даного методу. Вироби, виготовлені за допомогою лазерного розкрою, відрізняє висока якість контуру оброблення та економічність виробництва. При лазерній обробці однаково вигідно виробляти як великі партії так і дослідні експериментальні зразки. Довільний контур обробки дозволяє виробляти широку номенклатуру виробів на одному верстаті.
1.3 Обладнання для руйнування металів лазерним способом
Верстат лазерного різання LTC75
Верстат для лазерного різання серії LTC75 відкриває нові виробничі горизонти для малого і середнього бізнесу. Поєднання високошвидкісного лінійного приводу і економічного волоконного лазера з прийнятною вартістю роблять дану серію кращої в своєму класі.

Верстат для лазерного різання серії LTC75 є одним з найбільш ефективних рішень для малого та середнього бізнесу. Дана серія є високопродуктивним і надійним інструментом, призначеним для високоточного розкрою листового матеріалу. Портальний механізм лазерного верстата реалізований на лінійному приводі, що дозволяє добитися високої точності обробки в сукупності з максимальною надійністю системи руху.
Ціна лазерного верстата серії LTC75 дозволяє даного рішення конкурувати зі значно менш технологічними рішеннями на основі ШВП і зубчастої річки-шестерні. На відміну від даних типів реалізації системи руху лінійний привід верстата LTC75 дозволяє отримувати значно вищу динаміку обробки, точність різання і безвідмовність в роботі.
Лазерне різання металу, виконана на верстаті серії LTC75 - це найбільш якісні вироби зроблені на межі технології, які не потребують будь-якої подальшої обробки.
Купити лазерний верстат Ви можете безпосередньо у виробника або найближчого офіційного дилера нашого обладнання.
Потужності комплектуються лазерів
Верстат лазерного різання Потужність лазера, Вт Максимальна товщина листа, мм (сталь3)
LTC75-500 500 до 6,0
LTC75-700 700 до 7,0
Пневматична система лазерного верстата забезпечує подачу в зону різу від зовнішніх магістралей повітря, кисню або інертного газу. Оптична система фокусування забезпечена безконтактним датчиком місткості, що дає можливість автоматично підтримувати заданий положення фокусу, результатом чого є висока якість одержуваного контуру різу. Для збору дрібних деталей передбачена спеціальна система, що складається з висувних сіткових піддонів.
У лазерних верстатах серії LTC75 застосовуються приводу на синхронних лінійних двигунах. Використання лінійного приводу дозволило значно поліпшити динамічні характеристики системи, що призвело до збільшення продуктивності та інших якісних показників системи в цілому.
Застосування безпосереднього приводу на основі лінійних двигунів дозволяє отримати максимальну точність, стабільність характеристик і високу надійність
Переваги верстата для лазерного різання LTC75
• Найвища точність. Верстат для різання металу серії LTC75 дозволяє виконувати різання металу з точністю до 0,01 мм.
• Найвища якість обробки. Передові стандарти якості лазерного різання досягаються завдяки безлічі систем контролю технологічних параметрів обладнання.
• Максимально вузький рез. Всі верстати для лазерного різання металу використовують волоконний лазер, що гарантує найвищу якість пучка випромінювання, за рахунок чого з'являється можливість виробляти найбільш філігранну обробку.
• Висока швидкість обробки. Вся лінійка сучасних верстатів ARAMIS має високу динаміку обробки завдяки інноваційним рішенням в області лінійного приводу.
• Програмне забезпечення. Розвинуте програмне забезпечення верстата значно підвищує швидкість виготовлення деталей за рахунок зниження необхідного часу для підготовки оптимальних файлів завдань.
• Стабільність і надійність в роботі. Використання найбільш досконалих комплектуючих у всіх верстатах для різання виробництва ARAMIS дозволяє отримати найвищу надійність кінцевої системи.
• Малі експлуатаційні витрати. Використання найбільш передових технологій, таких як лінійний привід і волоконний лазер дозволяють істотно зменшити необхідність обслуговування верстатів.
Опції
Лазерний верстат може бути оснащений пристроєм для розкрою круглих труб (довжина до 2м, діаметр 80мм) або пристроєм для перфорації профільних труб.
Розмір поля обробки верстата може бути змінений.
Програмне забезпечення
Лазерні верстати ARAMIS укомплектовані програмним забезпеченням, що дозволяє проводити обробку і виконання файлів-завдань, зміна технологічних режимів, самодіагностику і авто настройку. Підготовка файлів завдань не вимагає спеціальних навичок і проводиться в напівавтоматичному режимі.
Програмний комплекс використовуваний в верстаті дозволяє істотно економити час на підготовку файлів і планів розкрою.
Програмне забезпечення лазерного верстата також дозволяє проводити розкрій труби (при наявності відповідної опції) по складному контуру, одночасно керуючи координатою обертання і однією з лінійних координат.
Програмне забезпечення верстата лазерного різання LTC75 дозволяє:
максимально швидко готувати файли завдань з технологічними параметрами
здійснювати розкрій матеріалу загальним різом в автоматичному режимі, враховувати ширину різу;
забезпечувати заборону проходу ріжучої голови над вирізаними деталями
вести облік деталей, листів-заготовок, відходів
автоматично встановлювати мікро-перемички в оброблюваному контурі
виробляти оптимізацію холостого ходу
Здійснювати завантаження креслень форматов.dwg, .dxf або інших форматів САПР, за допомогою мережевої синхронізації або різного роду електронних носіїв.
Інтерфейс програмного забезпечення комплексу зручний для оператора і максимально адаптований під стандартні CAD і CAM системи.
Лазерне різання
Устаткування для лазерного різання металу дозволяє проводити розкрій широкого діапазону сплавів. Може використовуватися як метал вітчизняного виробництва, так і імпортний. Лазерне різання кольорових матеріалів, включаючи мідь, латунь, алюміній виконується без будь-яких обмежень.
Гравірування металу
Лазерний верстат чпу дозволяє також виробляти гравірування. Програмне забезпечення дозволяє задавати технологічну гравіювання за допомогою певного алгоритму. Ця функція значно допомагає в процесі ідентифікації та сортування деталей.

 


Розділ 2. Технологічний процес руйнування металів лазерним способом.
2.1 Структура та принцип дії лазерної установки.
Волоконні лазери: принцип роботи :
Пристрої цього типу являють собою варіацію стандартного твердотільного джерела когерентного випромінювання з робочим тілом з оптоволокна, а не стрижня, пластини або диска. Світло генерується легирующей домішкою в центральній частині волокна. Основна структура може варіюватися від простої до досить складною. Пристрій иттербиевой волоконного лазера таке, що волокно має велике відношення поверхні до об'єму, тому тепло може бути відносно легко розсіяно. Волоконні лазери накачуються оптично, найчастіше за допомогою діодних квантових генераторів, але в деяких випадках - такими ж джерелами. Оптика, використовувана в цих системах, як правило, являє собою волоконні компоненти, причому більшість або всі вони пов'язані один з одним. У деяких випадках використовується об'ємна оптика, а іноді внутрішня оптоволоконная система поєднується з зовнішньої об'ємної оптикою. Джерелом диодной накачування може служити діод, матриця, або безліч окремих діодів, кожен з яких пов'язаний із з'єднувачем волоконно-оптичним світловодом. Леговане волокно на кожному кінці має дзеркало об'ємного резонатора - на практиці в волокні роблять решітки Брегга. На кінцях об'ємної оптики немає, якщо тільки вихідний промінь не переходить в щось інше, ніж волокно. Световод може скручуватися, так що при бажанні лазерний резонатор може мати довжину в кілька метрів.
Двоядерні структура.
Структура волокна, використовуваного в волоконних лазерах, має важливе значення. Найбільш поширеною геометрією є двоядерний структура. Нелеговане зовнішнє ядро (іноді зване внутрішньою оболонкою) збирає накачується світло і направляє його уздовж волокна. Вимушене випромінювання, що генерується в волокні, проходить через внутрішнє ядро, яке часто є одномодовим. Внутрішнє ядро містить присадку ітербію, що стимулюється світловим пучком накачування. Існує безліч некругових форм зовнішнього ядра, в числі яких - гексагональна, D-образна і прямокутна, що зменшують ймовірність непотрапляння світлового пучка в центральне ядро. Волоконний лазер може мати торцеву або бічну накачування. У першому випадку світло від одного або декількох джерел надходить в торець волокна. При бічній накачуванні світло подається в розгалужувач, який подає його в зовнішнє ядро. Це відрізняється від стрижневого лазера, де світло надходить перпендикулярно до осі. Для такого рішення потрібно багато конструктивних розробок. Значна увага приділяється підведенню світла накачування в активну зону, щоб зробити інверсію заселеності, що веде до вимушеного випромінювання у внутрішньому ядрі. Серцевина лазера може мати різну ступінь посилення залежно від легування волокна, а також від його довжини. Ці фактори налаштовуються інженером-конструктором для отримання необхідних параметрів. Можуть виникнути обмеження потужності, зокрема, при роботі в межах одномодового волокна. Такий сердечник має дуже малу площу поперечного перерізу, і в результаті через нього проходить світло дуже високої інтенсивності. При цьому стає все більш відчутним нелінійне розсіювання Бріллюена, яке обмежує вихідну потужність декількома тисячами ватт. Якщо вихідний сигнал є досить високим, торець волокна може бути пошкоджений.

Висока ефективність Волоконний лазер являє собою квазі-трирівневу систему. Фотон накачування збуджує перехід від основного стану на верхній рівень. Лазерний перехід є переходом з найнижчої частини верхнього рівня в одне з розщеплених основних станів. Це дуже ефективно: наприклад, иттербий з 940-нм фотоном накачування випромінює фотон з довжиною хвилі 1030 нм і квантовим дефектом (втратою енергії) всього близько 9%. На противагу цьому неодим, що накачується при 808 нм, втрачає близько 24% енергії. Таким чином, иттербий за своєю природою має більш високою ефективністю, хоча і не вся вона досяжна через втрату деяких фотонів. Yb може бути накачаний в ряді смуг частот, а ербій - довжиною хвилі 1480 або 980 нм. Більш висока частота не так ефективна, з точки зору дефекту фотонів, але корисна навіть в цьому випадку, тому що при 980 нм доступні кращі джерела. В цілому ефективність волоконного лазера є результатом двоступеневого процесу. По-перше, це ККД діода накачування. Напівпровідникові джерела когерентного випромінювання дуже ефективні, з 50% ККД перетворення електричного сигналу в оптичний. Результати лабораторних досліджень говорять про те, що можна досягти значення в 70% і більше. При точній відповідності вихідного випромінювання лінії поглинання волоконного лазера і досягається високий ККД накачування. По-друге, це оптико-оптична ефективність перетворення. При невеликому дефекті фотонів можна досягти високого ступеня збудження і ефективності екстракції з оптико-оптичної ефективністю перетворення в 60-70%. Результуючий ККД знаходиться в діапазоні 25-35%.

Різні конфігурації.
Оптоволоконні квантові генератори безперервного випромінювання можуть бути одно- або багатомодовими (для поперечних мод). Одномодові виробляють високоякісний пучок для матеріалів, які працюють або посилають промінь через атмосферу, а багатомодові промислові волоконні лазери можуть генерувати велику потужність. Це використовується для різання і зварювання, і, зокрема, для термообробки, де висвітлюється велика площа. Длінноімпульсний волоконний лазер є, по суті, квазінепереривним пристроєм, як правило, виробляють імпульси мілісекундного типу. Зазвичай його робочий цикл складає 10%. Це призводить до більш високої пікової потужності, ніж в безперервному режимі (як правило, в десять разів більше), що використовується, наприклад, для імпульсного свердління. Частота може досягати 500 Гц, в залежності від тривалості. Модуляція добротності в волоконних лазерах діє також, як і в об'ємних. Типова тривалість імпульсу знаходиться в діапазоні від наносекунди до мікросекунди. Чим довше волокно, тим більше часу потрібно для Q-перемикання вихідного випромінювання, що веде до більш тривалого імпульсу. Властивості волокна накладають деякі обмеження на модуляцію добротності. Нелінійність волоконного лазера більш значна через малу площу поперечного перерізу сердечника, так що пікова потужність повинна бути дещо обмежена. Можна використовувати або об'ємні перемикачі добротності, які дають більш високу продуктивність, або волоконні модулятори, які приєднуються до кінців активної частини. Імпульси з модуляцією добротності можуть бути посилені в волокні або в об'ємному резонаторі. Приклад останнього можна знайти в Національному комплексі імітації ядерних випробувань (NIF, Лівермор, Каліфорнія), де иттербиевой волоконний лазер є генератором, що задає для 192 пучків. Малі імпульси в великих плитах з легованого скла посилюються до мегаджоулей. У волоконних лазерів з синхронізацією частота повторення залежить від довжини підсилює матеріалу, як і в інших схемах синхронізації мод, а тривалість імпульсу залежить від пропускної здатності посилення. Найкоротші знаходяться в межах 50 фс, а найбільш типові - в діапазоні 100 фс. Між ербіевого і иттербиевой волокнами існує важлива відмінність, в результаті чого вони працюють в різних режимах дисперсії. Леговані ербієм волокна випромінюють при 1550 нм в області аномальної дисперсії. Це дозволяє виробляти солітони. Иттербиевой волокна знаходяться в області позитивної або нормальної дисперсії; в результаті вони породжують імпульси з вираженою лінійною частотою модуляції. В результаті для стиснення довжини імпульсу може знадобиться бреггівськими решітка. Є кілька способів зміни волоконно-лазерних імпульсів, зокрема, для надшвидких пікосекундних досліджень. Фотонів-кристалічні волокна можуть бути виготовлені з дуже малими ядрами для отримання сильних нелінійних ефектів, наприклад, для генерації суперконтинуума. На противагу цьому фотонні кристали також можуть бути виготовлені з дуже великими одномодовими сердечниками для уникнення нелінійних ефектів при великих потужностях. Гнучкі фотонно-кристалічні волокна з великим сердечником створюються для застосувань, що вимагають високої потужності. Одним із прийомів полягає в навмисному вигині такого волокна для усунення будь-яких небажаних мод вищого порядку зі збереженням лише основний поперечної моди. Нелінійність створює гармоніки; за допомогою вирахування і складання частот можна створювати більш короткі і більш довгі хвилі. Нелінійні ефекти можуть також виробляти стиснення імпульсів, що призводить до появи частотних гребінок. Як джерело суперконтинуума дуже короткі імпульси виробляють широкий безперервний спектр за допомогою фазової самомодуляціі. Наприклад, з початкових 6 пс імпульсів при 1050 нм, які створює иттербиевой волоконний лазер, виходить спектр в діапазоні від ультрафіолету до понад 1600 нм. Інший ІК-джерело суперконтинуума накачується ербіевим джерелом на довжині хвилі 1550 нм.
Велика потужність.
Промисловість в даний час є найбільшим споживачем волоконних лазерів. Великим попитом зараз користується потужність порядку кіловата, що застосовується в автомобілебудуванні. Автомобільна промисловість рухається до випуску автомобілів з високоміцної сталі, щоб вони відповідали вимогам довговічності і були відносно легкими для більшої економії палива. Звичайним верстатів дуже важко, наприклад, пробивати отвори в цьому виді стали, а джерела когерентного випромінювання роблять це легко. Різка металів волоконних лазером, в порівнянні з квантовими генераторами інших типів, має низку переваг. Наприклад, ближній інфрачервоний діапазон хвиль добре поглинається металами. Луч може бути доставлений по волокну, що дозволяє роботу легко переміщати фокус при різання й свердління. Оптоволокно відповідає найвищим вимогам до потужності. Зброя ВМФ США, випробуване в 2014 р, складається з 6-волоконних 5,5-кВт лазерів, об'єднаних в один пучок і випромінюючих через формуючу оптичну систему. 33 кВт установка була використана для ураження безпілотного літального апарату. Хоча промінь не є одномодовим, система являє інтерес, так як дозволяє створити волоконний лазер своїми руками зі стандартних, легкодоступних компонентів. Найвища потужність одномодового джерела когерентного випромінювання компанії IPG Photonics становить 10 кВт. Генератор, що задає виробляє кіловат оптичної потужності, яка подається в каскад підсилювача з накачуванням при 1018 нм зі світлом від інших волоконних лазерів. Вся система має розмір двох холодильників. Застосування волоконних лазерів поширилося також на Високопотужний різання і зварювання. Наприклад, вони замінили контактне зварювання листової сталі, вирішуючи проблему деформації матеріалу. Управління потужністю і іншими параметрами дозволяє дуже точно різати криві, особливо кути. Найпотужніший багатомодовий волоконний лазер - установка для різання металів того ж виробника - досягає 100 кВт. Система заснована на комбінації некогерентного пучка, так що це не промінь надвисокої якості. Така стійкість робить волоконні лазери привабливими для промисловості.

Буріння бетону.
Багатомодовий волоконний лазер потужністю 4 кВт може використовуватися для різання і буріння бетону. Навіщо це потрібно? Коли інженери намагаються досягти сейсмостійкості існуючих будівель, потрібно бути дуже обережним з бетоном. При установці в ньому, наприклад, сталевої арматури звичайне ударне буріння може привести до появи тріщин і послабити бетон, але волоконні лазери ріжуть його без дроблення. Квантові генератори з модульованої добротністю волокна використовуються, наприклад, для маркування або при виробництві напівпровідникової електроніки. Також вони використовуються в далекомірах: модулі розміром з руку містять безпечні для очей волоконні лазери, потужність яких становить 4 кВт, частота 50 кГц і тривалість імпульсу 5-15 нс.

Фемтосекундний лазери. Фемтосекундний квантові генератори в науці використовують для спектроскопії збудження з лазерним пробоєм, флуоресцентної спектроскопії з тимчасовим дозволом, а також для загального дослідження матеріалів. Крім того, вони потрібні для виробництва фемтосекундних частотних гребінок, необхідних в метрології і загальних дослідженнях. Одним з реальних застосувань в короткостроковій перспективі стануть атомний годинник для супутників GPS нового покоління, що дозволить збільшити точність позиціонування. Одночастотний волоконний лазер проводиться з шириною спектральної лінії менше 1 кГц. Це вражаюче невеликий пристрій з виходом випромінювання потужністю від 10 мВт до 1 Вт. Знаходить застосування в галузі зв'язку, метрології (наприклад, в волоконних гіроскопах) і спектроскопії.


2.2 Режими обробки
Для розрізання металів в основному потрібна потужність лазера від 450-500 Вт і вище, для кольорових металів - від 1 кВт і вище.
Для лазерного різання алюмінію і його сплавів, міді та латуні потрібно випромінювання більш високої потужності, що обумовлено наступними факторами: низької поглощательной здатністю цих металів стосовно до лазерного випромінювання, особливо з довжиною хвилі 10,6 мкм вуглекислотного лазера, в зв'язку з чим твердотільні лазери більш кращі; високою теплопровідністю цих матеріалів. Обробка малої товщини може виконуватися в імпульсному режимі роботи лазера, що дозволяє зменшити зону термічного впливу, а великої товщини - в мікроплазмове режимі. Плазмообразующих є пари легко іонізіруемих металів - магнію, цинку та ін. Під дією лазерного променя в області різу утворюється плазма, що нагріває метал до температури плавлення і плавкими його.
Назва Товщина (мм)
Вуглицеві і леговані сталі до 40
Нержавіюча сталь 25
Мідь 5
Латунь 12
Сплави алюмінія 12

Таблиця. Характерні товщини листів, що розрізають при потужності лазера P = 5 кВт.
Технологічні параметри.
Основними технологічними параметрами процесу лазерного різання є:
• потужність випромінювання;
• швидкість різання;
• тиск допоміжного газу;
• діаметр сфокусованого плями і ін.
При імпульсному режимі до даних параметрами додаються:
• частота повторення імпульсів;
• тривалість імпульсів;
• середня потужність випромінювання.
Ці параметри впливають на ширину різу, якість різання, зону термічного впливу та інші характеристики.

Малюнок. Вплив потужності випромінювання на швидкість різання.

Малюнок. Вплив швидкості на ширину різу в металі.

Якість різу визначається шорсткістю його поверхні. Вона відрізняється для різних зон по товщині металу. Найкраща якість характерно для верхніх шарів розрізаного металу, найгірше - для нижніх.

Малюнок. Вплив швидкості різання і надлишкового тиску кисню на розміри області якісного різання вуглецевих сталей товщиною 3 мм при потужності випромінювання 0,45 кВт.

Малюнок. Залежність шорсткості поверхні різу вуглецевої сталі від надлишкового тиску кисню при різних швидкостях газолазерной різання.
2.3 Якість лазерної різки
Сфокусоване лазерне випромінювання дозволяє розрізати майже будь-які матеріали незалежно від їх теплофізичних властивостей. При цьому можна отримувати якісні і вузькі рези (шириною 0,1-1 мм) з порівняльною невеликою зоною термічного впливу. При лазерного різання виникають мінімальні деформації, як тимчасові в процесі обробки заготовки, так і залишкові після її повного остигання. В результаті можлива різка з високим ступенем точності, в тому числі нежорстких і легкодеформіруємих виробів. Завдяки відносно нескладному управління лазерним пучком можна виконувати автоматичну обробку плоских і об'ємних деталей по складному контуру.
Лазерне різання особливо ефективна для сталі товщиною до 6 мм, забезпечуючи високу якість і точність при порівняно великій швидкості розрізання. Однак для металу товщиною 20-40 мм вона застосовується значно рідше кисневої або плазмового різання, а для металу товщиною понад 40 мм - практично не використовується.
2.5 Ремонт та обслуговування лазерної установки.
Поточне технічне обслуговування (ТО) і ремонт надзвичайно важливі для забезпечення якості роботи і продовження терміну служби обладнання. Розглянемо ТО оптичного тракту і кінематичної системи окремо.
Технічне обслуговування та ремонт системи оптичного тракту
Після тривалої експлуатації рефлектор (дзеркало) може бути закопчені димом, що з'являються під час обробки матеріалів, що призводить до зниження відбивної здатності, а, отже, і потужності випромінювання лазера. Тому його треба підтримувати в чистоті і періодично перевіряти. Використовуйте для чищення чистий етиловий спирт або спеціальний миючий розчин і гигроскопическую вату, щоб обережно осушити. Постарайтеся не подряпати поверхню рефлекторів гострими предметами.
Нижня поверхня концентрує лінзи всередині тубуса також може бути забруднена летючими матеріалами заготовки, що теж може значно вплинути на потужність випромінювання лазера. Звертайте увагу на захист системи димовидалення та подачі повітря в процесі роботи, і намагайтеся запобігати забрудненню лінзи.
У разі сильного забруднення лінзу можна обережно очищати таким чином:
Зніміть шланг подачі повітря з головки, відкрутіть конус, акуратно витягніть притискне кільце так щоб не подряпати лінзу і обережно витягніть концентрують лінзу;
Використовуйте еластичний балон з повітрям, щоб здути легку пил з поверхні;
Обережно візьміть пінцетом кульку з гігроскопічної вати, занурте його в чистий етиловий спирт або спеціальний миючий розчин і обережно протріть в одному напрямку від центру до зовнішнього краю (як показано нижче). Замінюйте брудний кульку з гігроскопічної вати після кожної протирання, до повного видалення бруду.
ІнструкціяПрімечаніе: Чи не протирайте в напрямку вперед і назад, щоб не подряпати лінзу, тому що поверхня лінзи покрита шаром просветляющей плѐнкі, пошкодження якої може в значній мірі вплинути на енергію випромінювання лазера.
Технічне обслуговування та ремонт кінематичного механізму
Для підключення верстата необхідно використовувати розетку із заземленням. Відсутність заземлення знижує ресурс роботи лазерної трубки і може повести до її пошкодження. Важливо, що відсутність заземлення може призвести до ураження оператора електричним струмом при витоку струму.
Рухомі частини, такі як каретки, направляюча ковзання, можуть безпосередньо впливати на ефективність обробки, якщо вони забруднені і покриті іржею, тому їх слід періодично очищати. Змащуйте колію для запобігання появи іржі. Рухливі каретки через 1 тисячу годин напрацювання необхідно заправляти мастилом через передбачене в них отвір.
Охолоджуюча вода повинна бути чистою, і її слід періодично замінювати. Звичайну водопровідну воду потрібно міняти в ѐмкості кожні 2 місяці. Якщо використовувати дистильовану воду, то міняти 1 раз в рік. Під час обробки матеріалів перевіряйте, чи достатньо високий рівень води і не занадто висока температура води, що охолоджує. Температура охолоджуючої води не повинна бути вище 25 градусів Цельсія.
Через деякий час зажадають заміни кільцеві зубчасті ремені редукторів. Перевіряйте візуально їх стан.
2.6 Вартість лазерної різки
Лазерна різка металу є сучасним рішенням, яке швидко справляється зі своїм завданням. Робота з металом завжди вважалася складним і важким, при цьому вона вимагала багато часу. З появою лазерного різання металу, ціна якої економна, цей процес вже не вимагає використання різних інструментів і досвіду майстра. Так як все відбувається за допомогою сучасного обладнання, яке має високу потужність. Завдяки цьому робота з металом стала набагато приємніше, швидше і легше.

2.7 Преспективи використання лазерної різки
Наведена історія виникнення і діапазон технічних характеристик лазерів. Проаналізована область застосування і специфічні переваги лазе- рів. Розглянуті особливості конкретних технологічних процесів лазерної обробки матеріалів. Перший у світі лазер було створено у 1960 році, а уже в 1962 році американська фірма “Спектра фізикс” поставила на ринок перші комерційні лазери. Велика кількість модифікацій та типів конструкції лазерів важко піддається обліку і аналізу. Самий мініатюрний лазер має довжину декілька мікрон, а найбільша лазерна установка “Нова” в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора в США – 137 м і загальну потужність 1014 Вт. Вона використовується для фокусування випромінення на суміші дейтерію і тритію при термоядерному синтезі. В Європі найпотужніший лазер змонтований в інституті Макса Планка, він має потужність 1012 Вт, працює такий лазер на атомах йоду [1]. Область застосування лазерів досить велика, але найбільш масовою областю використання лазерної техніки є лазерна обробка матеріалів, в основі якої лежить теплова дія лазерного випромінювання. Вагомим внеском в розширення використання лазерного променя для обробки матеріалів стало створення газових лазерів безперервної дії і підвищеної потужності (понад 1 кВт). Завдяки цьому лазер розпочали використовувати в мікроелектроніці, приладобудуванні, машинобудуванні, металургії. Цьому сприяли унікальні властивості лазерного випромінювання як інструмента при обробці матеріалів. Високі щільності лазерного випромінювання суттєво переважаючі інші джерела енергії (до 108–109 Вт/см2 в безперервному режимі і до 1016–1017 Вт/см2 в імпульсному режимі) дозволяють не тільки значно збільшити продуктивність, але і отримати якісно нові результати по властивостям обробляємих матеріалів. В зв’язку з цим лазерний промінь як джерело нагріву при термічній обробці матеріалів має як загальні особливості, які притаманні всім іншим висококонцентрованим джерелам, так і власні, специфічні переваги, серед яких можна виділити дві групи [2]: 1. Висока концентрація та локальність енергії, яка підводиться. Це дозволяє провести обробку тільки локальної ділянки без нагріву решти об’єму і порушення його структури та властивостей, що приводить до мінімального короблення деталей. Висока концентрація дозволяє провести нагрів і охолодження обробляємого об’єму матеріалу з великими швидкостями при дуже малому часі дії. Це дозволяє отримати унікальні властивості і структури обробляємої поверхні, а також досягти економічних переваг. 2. Висока технологічність лазерного променя. Вона характеризується можливістю регулювання параметрів обробки в дуже широкому інтервалі режимів, легкість автоматизації процесу, можливість обробки на повітрі, виключення механічної дії на обробляємий матеріал, відсутність шкідливих відходів. В результаті є можливість реалізувати таке широке коло технологічних процесів і методів обробки матеріалів: зварювання, наплавка, маркування, гартування, різка та інші, які не доступні іншим видам інструментів. Розглянемо особливості конкретних технологічних процесів лазерної обробки матеріалів: 1. Лазерна різка металів. Лазерна різка сталевих листів товщиною до 6 мм по складному контуру є найбільш поширеним процесом лазерної обробки в промисловості. Її застосовують для вирізки таких деталей як прокладки, кронштейни, щитки, декоративні гратки. Лазерна різка економніша за різку водяним струменем та ерозійною проволокою. 2. Зварювання. Лазерним зварюванням досить просто формуються з’єднання з вуглецевих і легованих сталей товщиною до 10 мм. Найбільше 136 переваг лазерного зварювання реалізується при зварювані тонких виробів (до 1 мм), електроконтактів, корпусів приладів, батарей акумуляторів, сильфонів, осердь трансформаторів. 3. Маркування. Цей процес отримав поширення при нанесені розмірних шкал на вимірювальні інструменти, виготовлення табличок і покажчиків, маркуванні виробів та товарів. 4. Пробивання отворів. За допомогою цього метода можна отримати отвори діаметром 0,2–1,2 мм при товщині матеріалу до 3 мм. При співвідношенні висоти отворів до їх діаметрів 16/1 лазерне пробивання по економічності переважає всі інші методи. 5. Лазерне гартування. Дія лазерного випромінювання на поверхню сплавів дозволяє отримати глибину зміцнення до 1,5 мм при ширині одиничних смуг 2– 15 мм. Обробці піддаються деталі, що працюють в режимі інтенсивного зносу: вали, барабани, ріжучий інструмент, кільця підшипників. Як правило досягається збільшення стійкості виробу в 1,5–5 разів. 6. Легування та наплавлення. За допомогою цих процесів на поверхні сплавів отримують шари з унікальними властивостями: високою зносостійкістю, теплостійкістю і т.д. Найбільше поширення отримало лазерне наплавлення з метою відновлення зношених деталей машин: коленвалів, клапанів, шестерень, штампів. Процес відрізняється мінімальними деформаціями деталей і підвищеною зносостійкістю поверхні. Розробляються перспективні технології, серед яких більше місце займають комбіновані методи обробки, де дія лазерного променя разом з електричною дугою, плазмовим струменем чи газовою горілкою дозволяє в декілька раз підвищити дію, тобто збільшити товщину зварювання, різки чи гартування [3]. Застосування лазерного випромінювання при механічній обробці металів та сплавів дозволяє збільшити продуктивність в декілька разів, покращити якість обробки. Інтенсивно розвиваються методи лазерної обробки тонкостінних листових матеріалів для формування об’ємних конструкцій в наслідок направленого деформування. Таким чином, теорія і практика лазерної обробки матеріалів підтверджує широкі можливості лазерних технологічних процесів, які дозволяють ефективно вирішувати найскладніші промислові задачі, виводячи промисловість на новий високоінтелектуальний рівень.

 

 

 


Розділ 3. Оптимізація процесу лазерного руйнування металів
3.1. Аналіз факторів, які беруть участь в технологічному процесі лазерної різки металів
Тепловий, фізичний та хімічний вплив при лазерному різанні
Лазерне різання є популярним методом розкрою листових матеріалів.
Лазерні системи здатні легко виготовити деталь будь-якої форми і розміру; їх контролери можуть задавати траєкторію і параметри різу, дозволяючи автоматизувати робочий процес. Дійшло до того, що досить просто показати машині креслення і сказати, скільки таких деталей нам потрібно - палет з вирізаними заготовками буде готовий в лічені хвилини.
Існує, однак, небезпека, пов'язана з таким рівнем автоматизації: вона змушує забути, що лазерна різка - термічний процес і лазерне випромінювання плавить метал. Найчастіше, це можна не враховувати, але при точному різанні важливо знати про можливі побічні ефекти.
Основи
Метали і більшість неметалів ріжуться лазером одним з двох схожих методів. Перший метод полягає у фокусуванні випромінювання на поверхні матеріалу, його плавленні і наступному видаленні розплаву струменем газу. Другий метод схожий з першим, за винятком того, що газ взаємодіє з матеріалом, створюючи сприятливі умови для різання. Схематичний вид обладнання представлений на рис.1 Лазерний пучок, проходячи вертикально, фокусується лінзою на поверхні (або нижче рівня поверхні) матеріалу.
Простір між лінзою і матеріалом закривається камерою, яка стискає надходить газ і випускає його через сопло в місце різу.

Рис. 1. Загальна схема процеса
Важливі характеристики процесу:
Метали плавляться, а не випаровуються. Це означає, що лазерна різка можлива тільки в тому випадку, коли лазер проходить через всю товщину матеріалу, щоб розплав міг бути вилучений.
Метал видаляється газом, а не лазером. Лазерний промінь служить тільки для плавлення матеріалу. Багато процесів при лазерному різанні залежать більшою мірою саме від потоку газу, ніж від параметрів лазерного випромінювання.
Фронт різу трохи відхилений від вертикалі. Це означає, що процес дуже чутливий до поляризації і, таким чином, зі збільшенням товщини матеріалу, не досягає нижнього краю різу.
Вуглецева сталь
Найпоширеніше застосування лазерів у виробництві - розкрій листів вуглецевої сталі. В якості допоміжного газу найчастіше використовується кисень. Енергія, що вивільняється при реакції 2Fe + O2 з утворенням 2FeO, в грубому наближенні дорівнює енергії самого лазерного випромінювання. Таким чином, використання кисню удвічі збільшує продуктивність процесу в порівнянні з використанням інертного газу. Температура в області різу, при використанні кисню, вище, що робить розплав більш текучим і простим у видаленні струменем газу. Однак край різу покривається тонкою плівкою оксиду заліза, що несприятливо позначається при подальшому зварюванні.
Чистота використовуваного кисню робить істотний вплив на швидкість і якість процесу. Тести показали, що зниження чистоти кисню з 99,998% до 99,5% знижує швидкість більш ніж на 20%. Чому так відбувається не цілком очевидно. Екзотермічна реакція між сталлю і киснем не вповільнюється значно при настільки незначної втрати концентрації кисню. Схоже, що сама сила цієї реакції є причиною її чутливості до забруднення.
На рис. 2 зображений схематичний розріз процесу різання, що показує, чому мала кількість інертних забруднень надає такий сильний вплив на реакцію. Розплав сталі має дуже високу спорідненість до кисню і, відповідно, забирає його з газу. При цьому розплав не вступає в реакцію з включеннями, такими як азот, залишаючи їх в потоці газу. Нижче по краю різу формується аеродинамічний шар, швидкість течії газу в якому нижче і відбувається змішання. Концентрація домішкових атомів значно збільшується в цьому граничному шарі, так як кисень забирається розплавом. Відповідно, концентрація кисню становить вже не 99,5%, а набагато менший відсоток, що в результаті призводить до більш низької швидкості реакції, температурі і швидкості різання.
Подібний ефект спостерігається і при різанні листів товщиною більше 10мм. Навіть якщо з сопла виходить чистий газ, він взаємодіє з повітрям і має значний домішок азоту на дні прорізу. Продуктивність процесу при роботі з товстими матеріалами може бути значно збільшена при використанні складеного сопла, яке оточує центральний коаксіальний струмінь газу круговим потоком меншої потужності. Цей круговий потік гарантує, що надходить в робочу зону газ залишиться киснем.

Рис. 2. Схематичний вигляд різу при різанні в кисні
Борозни на кромці, часто спостерігаються при лазерному різання, що виникають через екзотермічну реакцію заліза з киснем. Фронт розплаву рухається швидше, ніж лазерна пляма, поки не зупиняється нерозплавлений матеріалом. Тоді пляма наздоганяє даний фронт і цикл повторюється.
Відповідні комбінації лазерної потужності, швидкості переміщення і сили потоку газу знижують дані коливання і дозволяють домогтися гладкого різу. При збільшенні потоку кисню, коливання стають сильнішими, що робить різ більш грубим.
Теплові ефекти в сталі
Лазерне різання здійснюється завдяки плавлення металу, що призводить до появи різних ефектів.
У холоднокатаних низьковуглецевих сталях край матеріалу стає менш твердим. Причина тому - наявність зони відпалу товщиною в кілька тисячних дюймів. Найчастіше, це не є проблемою при подальшій фінішній обробці або для кінцевого вироба.
Однак якщо рівень вуглецю перевищує 0,3% (середньо- і високовуглецеві сталі), в поверхневому шарі утворюється мартенсит, що підвищує твердість сталі. Коли матеріал в області різу нагрівається до температури плавлення (Tпл = 2800 ° F = 1500 ° C), гранична область також нагрівається. Сталь, температура якої підвищується вище 1650 °F (900 °С) перетворюється в аустеніт, який, швидко охолоджуючись, переходить в мартенсит - саме він утворює загартовану сталь.
У деяких випадках цей ефект може бути корисний - наприклад, коли потрібно одночасно вирізати і загартувати край деталі, підвищуючи його стійкість до стирання. В інших ситуаціях - може стати проблемою, так як наявність пор в загартованому шарі може привести до утворення мікротріщин.
Високі швидкості процесів при лазерному різанні призводять до появи специфічних мікроструктур в прокатній сталі. Хоча сталь переходить в аустеніт вище 1650 °F, кінцевий матеріал неоднорідний. Вуглець, присутній у формі карбіду заліза, повинен дифундувати в маловуглецеві ферритові зони. Якщо вихідна структура була крупнозернистою, час, необхідний для дифузії, перевершує тривалість нагріву. Після охолодження високовуглецеві області стають твердими, а низьковуглецеві - м'якими. Такі структури мають дуже низькі механічні властивості.
Леговані сталі
Низьколеговані сталі, такі як 4140 і 8620, дуже добре піддаються лазерному різанні. Сталі з більш високим включенням легуючих елементів (багато конструкційні сталі) ріжуться не так добре. Багато легуючих елементів, такі як хром, підвищують в'язкість розплаву і утворюють оксиди, що залишають темну плівку на поверхні і формують шорсткий край різу при товщині понад чверть дюйма. У будь-легованої сталі з достатнім вмістом вуглецю при різанні утворюється мартенсит.
Нержавіюча сталь
Так як всі нержавіючі сталі представляють собою високохромисті сплави, при різанні в струмені кисню вони ведуть себе, як описано вище: кромка покривається значним шаром оксиду хрому. У багатьох випадках це є небажаним для подальшого процесу використання деталі. Заміна кисню азотом, який не вступає в помітну реакцію з нержавіючої сталі, дозволяє уникнути формування даного шару.
Інертний газ змушує створювати температуру плавлення виключно силами лазерного випромінювання, що, природно, знижує швидкість процесу і товщину оброблюваного матеріалу в порівнянні з процесом, що використовують кисень.
В'язкість розплаву досить висока і його адгезія до нижнього краю різу представляє певну проблему.
Алюміній
Алюміній і його сплави характеризуються високою відбивною здатністю і теплопровідністю. Це робить їх відносно важкими матеріалами для лазерної обробки. Багато алюмінієві сплави, особливо серії 2000 і 7000, схильні до утворення мікротріщин на кромці різу. В аерокосмічній промисловості (основному споживачі даних сплавів) такі мікротріщини неприпустимі, так як вони знижують міцність від утоми деталей.
Використання деталей можливо тільки після видалення поверхневого шару механічно, що, з огляду на високу вартість, робить лазерну різку недоцільною. Для виготовлення деталей для аерокосмічної промисловості застосовують гідроабразивне різання, яка не створює нагрів в зоні різання.
Титан
Титан і сплави на його основі інтенсивно взаємодіють з киснем і азотом. Якщо титан ріжеться в струмені кисню, то на кромці утворюється товстий шар твердих і тендітних оксидів і нітридів, що робить деталі непридатними для багатьох завдань. Той же ефект спостерігається при різанні в азоті. Єдиними газами, придатними для лазерного різання, є інертні гази, такі як аргон і гелій. Хоча аргон, будучи дешевшим, ніж гелій, здається найкращим, його використання може привести до певних металургійним складнощів. Перегрів кромки може змінити фазовий стан Ti-6Al-4V і привести до утворення альфа-структури, що неприпустимо для багатьох завдань аерокосмічної промисловості, так як знижує втомну міцність матеріалу. Гелій, який має велику теплоємність і теплопровідність, часто змішують з аргоном для забезпечення охолодження під час різання. Зазвичай достатньо 25% -ої суміші гелію з аргоном, але іноді використовується і 50%..
Вплив на неметали
Лазери здатні обробляти дуже широкий діапазон матеріалів, незалежно від їх твердості і електропровідності.
Кварц
Висока стійкість до теплового удару дозволяє обробляти кварц, як метал. Для цього використовуються СО2 лазери, що працюють в безперервному режимі, так як кварц слабо поглинає випромінювання Nd: YAG лазерів (1064нм). Напруги, викликані тепловим розширенням, часто знімаються відпалом готових деталей.
Органічні матеріали
Органічні матеріали добре піддаються лазерному різанні. Необхідна для цього енергія зазвичай набагато нижче, ніж потрібно для різання неорганічних матеріалів, що дозволяє робити різання на великих швидкостях і використовувати лазери меншої потужності. Однак багато органічні матеріали виділяють токсичні продукти при лазернму різанні, що необхідно враховувати, щоб забезпечити оператора і навколишнє середовище.
Пластик
Широкий діапазон полімерів може бути розрізаний лазерами. Луч викликає плавлення, випаровування або згоряння матеріалу. Термопласти, такі як поліпропілен і пінопласт, ріжуться плавленням матеріалу, тоді як термореактивні матеріали, такі як фенольні та епоксидні смоли, ріжуться шляхом згоряння. Горючі матеріали часто залишають вуглецевий наліт на кромці різу, крім того їх випаровування є досить небезпечними для людини.
3.2. Порівняння якості руйнування металів різними методами: лазерним із струминним охолодженням, стркминно-лазерним ті гідро-абразивним
АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ. Нині споживання твердих сплавів і надміцних матеріалів у різних галузях народного господарства невпинно зростає.
Різного роду пластини простих геометричних форм, кульки, кільця та призматичні тіла знаходять використання у сучасному різальному інструменті, машинобудуванні та енергетиці.
Незважаючи на те, що готові вироби з таких матеріалів, зокрема, з полікристалічної алмазної суміші або кубічного нітриду бору, отримують потрібного вигляду при їх формуванні, існує необхідність виконання обробки таких пластин з метою забезпечення якості поверхневого шару або форми. У першому випадку мова йде про практично повну незмінність форми виробу; другий – передбачає виконання операцій відокремлення частини матеріалу
від тіла заготовки та формування нових поверхонь і крайок.
Існуючі методи різання [1] зазначеного класу матеріалів мають обмежене використання. Це пов’язано із тим, що електроерозійна (електроіскрова) обробка вимагає низького електричного опору
самої заготовки (що не дозволяє виконувати різання таких матеріалів, як SiC); ультразвукове прошивання може здійснюватися інструментом-концентратором тільки певної геометричної форми.
Однак ускладнення форм виробів різного технічного та технологічного призначення, а також намагання забезпечити високу точність, надійність та
довговічність створеної технічної системи обумовлюють пошук нових методів і прийомів різання, які були б як енергоефективними, так і надійними та простими при їх реалізації. Задача ускладнюється ще і тим, що виріб може передбачати як створення нових поверхонь, отриманих наскрізним прорізан-
ням, так і формування ділянок глухих, отворів і виступів (рис. 1).

Рис. 1 – Елементи шарніру механізму
спеціального призначення, що потребують складної
просторової обробки
Таким чином, метою дослідження є оцінка ефективності існуючих i пошук нових методів і прийомів обробки міцних i надміцних матеріалів при використанні в сучасному машинобудуванні.
МАТЕРІАЛ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ. Певні результати «холодного» різання твердих сплавів та надміцних матеріалів приведені в [2].
Такий метод обробки має низку беззаперечних переваг, серед яких головною є практично повна відсутність термонапружень і дефектів, пов’язаних із локальним нагріванням поверхні.
При цьому зазначено, що руйнування матеріалу під дією струминно-абразивного потоку відбувається внаслідок полідеформаційного пошкодження поверхні з одночасним руйнуванням самої абразивної
частинки. Таке явище є характерною умовою натікання гідроабразивного струменя під кутами, близькими до нормальних (тобто для випадків, коли наскрізного прорізання нема, а частинки бомбардують поверхню, викликаючи окремі мікродеформації та активізуючи зародження і розвиток початкових мікродефектів). Руйнування матеріалу, зародження і розвиток лунки гідрорізання можливе шляхом мікрорізання, однак у цьому випадку дефекти поверхні, обумовлені початковим пружним деформуванням у
точці удару частинки, можливі тільки при зміні вектора руху частинки.
Іншими словами, мікрориска формується частинкою в момент, коли, ударяючись о поверхню, вона під дією рідинного швидкоплинного потоку змінює напрямок руху і виноситься із зони впливу. Звичайно, інтенсивність зйому залишається наднизькою, оскільки запас кінетичної енергії
частинки значно зменшується.
Механізм взаємодії частинок абразиву із оброблюваним матеріалом базується на створенні частинками локальних високо інтенсивних навантажень, що ведуть до деяких пружно-пластичних мікро- та
макродеформацій стиснення в локальних обсягах поверхневого шару. Ці навантаження сприймає, в основному, карбідний скелет матеріалу. Подальше
підхоплення абразивних частинок потоком рідини знімає навантаження, внаслідок чого відбувається часткове пружне відновлення деформованого обсягу матеріалу поверхні шару з появою локальних розтяжних напружень і перерозподіл напружень між складовими матеріалу.
Вивчення особливостей руйнування твердих сплавів показало [3], що спочатку руйнуються границі зерен карбідів, відбувається пластичне дефор-
мування кобальтового зв’язника дислокаційним механізмом, а далі йде руйнування границь карбідів зі зв’язником та самого зв’язника, що веде до виникнення початкових лунок при дії на зразки перпендикулярно орієнтованого гідроабразивного струменя.
З вище викладеного, залежність для визначення розміру лунки у функції параметрів процесу обробки та фізико-механічних характеристик оброблюваного матеріалу набуває такого вигляду:


де m – маса абразивної частинки; vn, va – нормальна і тангенціальна складові швидкості удару частинки з оброблюваною поверхнею; Ra, Hv, σb – па-
раметри шорсткості, твердості та міцності поверхні оброблюваного матеріалу; zn – зернистість абразивних частинок; Tp – постійна, що враховує інерційність процесу мікрорізання; kn, ka – постійні коефіцієнти; ε - кут руху частинки відносно оброблюваної поверхні; lc - критична довжина тріщини, яка визначається з рівняння тобто:

де Е – модуль пружності; b – вектор Бюргерса; σt – межа текучості.
Отже, можна констатувати, що для випадку неповного багато прохідного різання при перпендикулярному натіканні струменя вираз для оцінки видаленого матеріалу за час dt становитиме:

де Q – витрата абразивних зерен.
При прорізанні повного пазу рівняння дещо змінюється:

При цьому загальний обсяг вилученого матеріалу за час t становитиме:

Вивчення картин пошкодження матеріалу та формування лунки мікрорізання дозволило зробити ряд важливих висновків:
– швидкість «проникнення» струменя в оброблюваний матеріал непостійна: спочатку вона має тенденцію до зростання, а далі – до зниження; при отриманні глибоких (у кілька діаметрів струменя Dk) глухих отворів можливе повне припинення процесу різання внаслідок різкого зменшення пружно-пластичного втиснення поверхні та зростання втрат енергії потоку;
– формування початкової канавки для відведення рідини при наданні струменю руху подачі значно підвищує об’ємне знімання матеріалу та не призводить до зниження цього показника при отриманні канавки; вочевидь, цьому сприяє те, що руйнування матеріалу виконується не тільки потоком, який стікає поверхнею, а і периферійною частиною струменя, в якій швидкість руху частинок набагато вища; таким чином, багатопрохідне різання є більш ефективним і більш доцільним, чим однопрохідне;
– наявність на обробній поверхні зон підвищеної твердості (обумовленої, наприклад, аномальною кількістю кобальтового зв’язника призводить до
відхилення струменя від гіпотетичного напрямку руху при заданих умовах її переміщення. При цьому чим більшою є швидкість лінійної подачі, тим
більшим буде відхилення струменя; зниження енергетичних параметрів струменя при збільшенні глибини канавки викликає більше відхилення.
Тобто: швидкість подачі при багаторпрохідному різанні має бути змінюваною, більш високою в початковий момент процесу зі зменшенням при розвитку вирви.
Теоретичні міркування були перевірені виконанням отворів та лінійних різів у заготовках з твердих сплавів та надміцних матеріалів.
Практичні експерименти виконували на лазерно-струминному комплексі ЛСК–400–5, оснащеному струминно-абразивною головкою з водяним соплом dc=0,22 mm та калібрувальною трубкой Dk=1,05 mm.
Отвори виконувати у пластині твердого сплаву групи ТК (Т5К10) товщиною 7 mm; діаметр отвору D0=5,0±0,025 mm. Як абразив брали гранатовий пісок фракцією 50/100 mkm. Витрата абразива – 0,5 кг/хв, тиск рідини pb=250 MPa. Отвори виконувати як з постійною швидкістю обходу контура (sk=300 mm/min) так і зі змінною (від sk0=300 mm/min до
sk1=100 mm/min).
Виміри отриманого отвору показали (рис. 2,а), що багатопрохідне отримання отворів є не тільки більш ефективним, але й передує утворенню низки дефектів, у першу чергу, макрогеометричного характеру; при цьому робота з постійною швидкістю приводить до суттєвого викривлення
контуру на виході струменя (тобто веде до невиправного браку), у той час як варіювання швидкості, незважаючи на зростання часу обробки, дозволила отримати в пластинці товщиною 7 mm відхилення від круглості на виході у межах 0,4 mm.
Таким чином, зниження швідкості обходу контура має бути пропорційним товщині оброблюваної заготовки та його фізико-механічним
характеристикам.
Для виконання тестових різів надміцних матеріалів використовували пластинки із CBN товщиною 4,0 мм, діаметром 10,0 мм. Пластину на обробному столі верстата кріпили за допомогою універсального затискача, спроможного забезпечити надійне фіксування пластинки у заданому просторовому положенні (рис. 2,б).
Оскільки модельне дослідження напружено-деформованого стану довело, що при перпендикулярному натіканні струменя виникає високо інтенсивне багато циклове локальне навантаження, спроможне призводити до виникнення і розвитку сітки мікротріщин, орієнтованих під певними кутами відносно лінії дії сили, було прийняте рішення про різання пластинки не перпендикулярно орієнованим струменем, а ковзним. При цьому відмінностей набував сам механізм взаємодії струменя із оброблюваним матеріалом: замість ударно-релаксаційного руйнування з’являється механізм ковзного мікрорізання. Очікувана продуктивність при цьому мала зрости у 2–3 рази.

а)

б)
Рисунок 2 – Отвір в пластинці з твердого сплаву Т5К10 (а) та скрайб глибиною 0,35 мм в пластинці CNB (б)
Обробку вели з такими режимами: тиск рідини – 250 МПа, використовуваний абразив – гранатовий пісок меш 300–400, витрата абразиву – до 0,5 кг/хв. Різання виконували багато прохідним.
Після 10 проходів зі швидкістю контурної подачі 500 мм/хв. утворилося заглиблення до 0,25 мм. У подальшому інтенсивність знімання матеріалу споча- тку різко зросла, а по досягненні глибини у 3,0–3,5 мм почала спадати. Тож побудована крива зміни глибини пазу у функції кількості проходів має чітко виражену нелінійність.
Обробка пластин із надміцних матеріалів довела існування інших проблем: поряд із невисокою про- дуктивністю різання спостерігається схильність пластин до крихкого руйнування на виході струменя. Загалом було встановлено, що недостатньо висока якість крайки зумовлена такими причинами: повертання головки та її нахил відносно поверхні оброблення викликало появу помилки позиціювання. Внаслідок цього струмінь отримав початкове відхилення (рис. 3,а), яке потім так і не вдалося виправити під час оброблення (рис. 3,б).

а) б)
Рис. 3 – Початкове відхилення струменя та поява виступу у вигляді чверті (а), яка вплинула на якість торця: видно що створений виступ призвів до виникнення відхилення різу на 0,5 мм; ширина різу
– 0,96 мм, сам різ виявився з не перпендикулярними крайками; не перпендикулярність крайок різу пове- рхні базування (б); збільшення х50
Нижня частина крайки виявилася досить низької якості, оскільки пластина була встановлена консольно, а, отже, при стіканні створене навантаження призводило до лавиноподібного зростання енергії вивільнення деформацій та практично миттєвого розвитку тріщин сколювання (рис. 4). До речі, зміна схеми технологічного навантаження та по- переднє створення стискуючих напружень при різанні пластинок із карбідних та оксидних кремнієвих сполук дало змогу значно підвищити якість крайки та уникнути відколювань. Як наслідок, очевидною є вимога повного обтирання оброблюваного матеріалу на базову поверхню (рис. 5);

Рис. 4 – Дефекти нижньої крайки пластини, обумовлені як відхиленням струменя від гіпотетичного перпендикулярного положення,
так і проявом механізму крихкого руйнування (х50)

Рис. 5 – Приклад різу мікрочипа з оксиду кремнію з двосторонньою металізацією, отриманого за тих же умов при роботі із маскою з робочою щілиною 0,12 мм, х200
Іншою проблемою стало отримання «косини входу та виходу струменя» (рис. 6). Прорізання супроводжувалося торцевими сколюваннями та пошкодженням.

а)

б)
Рис. 6 – Скошування на вході струменя (а), чітко спостерігається місце початкового розвитку дефектів (х50) і сколювання торця на нижній площині (б)
Таким чином, для отримання тестового різу глибиною 3,2 мм було проведено 60 циклів проходу струменя із робочою подачею 250 мм/хв. При цьому головка була встановлена під кутом /3 відносно поверхні оброблення.
Не зважаючи на припущення щодо «холодності» різу, при виконанні процесу спостерігалося яскраве свічення частини струменя (рис. 7), яка власне була запертою між соплом та поверхнею обробки; з огляду на результати, отримані акад. неважко припусти- ти існування температур 1000–2000 0С у зоні різан- ня; частково таке припущення підтверджується іс- нуванням шаржованого шару на дослідних зразках, в яких частинки абразиву практично «занурилися» в поверхню (рис. 8).

Рисунок 7 – Світіння струменя біля поверхні обробки: різ не такий вже і «холодний»

Рис. 8 – Шаржовані частинки на поверхні різу пластинки CBN
Альтернативою гідроабразивному різанню є різання за допомогою сфокусованого лазерного променя. Використання довгофокусної оптики (понад 80 мм) дозволяє отримувати досить прямі різи в заготовках товщиною 5–10 мм, без істотного нахилу крайок різу. Однак, за свідченням [4], використання лазеру як з продувкою зони різу, так і без неї, при обробці твердих і надтвердих матеріалів ефекту не дає: причина полягає у тому, що термічний вплив на матеріал веде не тільки до певних структурно- фазових змін у прилеглій зоні, а і викликає значні залишкові термічні напруження, внаслідок чого виявляючи крихкі властивості матеріали руйнуються під незначними навантаженнями.
Насправді, для гаусового розподілу джерела випромінювання, яким є твердотільний чи газовий лазер, щільність поглиненої енергії за [5] визначається з виразу:

де q0 – щільність потужності випромінювання в центрі плями фокусування;
r – радіус гаусового пучка.
Розподіл тепла на поверхні поглинання визначатиметься рівнянням:

де qmax – максимальна щільність потужності ви- промінювання в центрі плями;
Т – температура як функція глибини z, відлічуваної від поверхні, радіа-льної відстані х від центру теплового джерела й часу t з моменту початку впливу теплового імпульсу;
Pt  qt / qmax .
У разі, якщо промінь переміщується по поверхні напівбезкінечного тіла зі швидкістю v за умови нехтування втратами тепла з поверхні, температура поверхні в точці з координатами (х, y, z) становитиме:

У цьому вираженні введені наступні безрозмірні параметри:

де A0 – відбивна здатність оброблюваного матеріалу;
Р – потужність лазерного випромінювання;
b,c – параметри гаусового розподілу.
Розв’язання рівнянь доводить, що площа поширення термічної деструкції може бути досить значною. Саме тому нами порівняно три варіанти виконання різу: лазером із продуванням зони різу стисненим газом, із використанням охолоджуючою рідиною та створенням ефекту термоскрайбування, нарешті, із використанням струминно-лазерного пристрою.
Для випадку використання рідини у якості охолоджувача при одночасній дії випромінювання на нормально орієнтовану поверхню рівнянням, запропонованим [6], можна визначити температурні поля
у випадку, коли охолоджувач – рідина надвисокого тиску не подається, – а потім ввести початкові умови. Тоді:

де ρ, с, λ – щільність, питома теплоємність та коефіцієнт теплопровідності матеріалу відповідно;
температуропровідність матеріалу; h – коефіцієнт тепловіддачі з поверхні; А та В – більша та менша півосі еліптичного променя; P= qπAB – потужність лазерного випромінювача.
Процес теплопровідності у обсязі заготовки, обмеженій областю Ω, з поверхнею δΩ, описується скалярним полем температури T=T(P,t), векторним полем потоку тепла та скалярним полем питомою тепловою енергією в=в(Т).
За результатами досліджень, висвітлених у [7], ці поля породжуються джерелами Ws , залежать від стоків Wg відводу тепла (за рахунок гідродинамічного впливу) з поверхні δΩ за законом Ньютона і
переносом тепла потоком газу зі швидкістю в напрямку осі 0x .
Закон збереження теплової енергії для довільної області виражає рівність енергії, виділеної джерелами тепла Ws за відрізок часу
, сумі енергій, витраченої стоками Wg, витраченої на підвищення внутрішньої енергії e, енергії, переданої потоками тепла через поверхню за той же проміжок часу й енергії, що переноситься потоком газу та рідини зі швидкістю .

де - оператор дивергенції. Скориставшись формулою Гауса-
Остроградського, після виключення інтеграла по замкнутій поверхні, перетворимо останнє рівняння до виду

Тут - елементи об’єму й поверхні;
- орт зовнішньої нормалі до - скалярний добуток векторів;
і - теплоємність і щільність газу.
Тоді

Приведені рівняння є інтегральні рівняння балансу теплової енергії у довільній області . Подавання рідини надвисокого тиску, що виконує роль охолоджувача, вимагає врахування крайових умов:


де T(x,y,z,t)=T0 при апроксимації зростання коефіцієнта тепловіддачі залежністю виду , що при виконанні числового розв’язку рівняння, дасть зони різкого спадання температури у місці підведення охолоджувальної рідини, причому, залежно від витрати охолоджувача
та ефективності тепловідведення розподіл температурних полів може мати суттєві відмінності. Подана ілюстрація дає наочну картину відмінностей у розподілі ізотермічного перерізу, паралельному тому, що проходить через вісь променя у напрямку руху робочої подачі.
Результати моделювання теплового навантаження поверхні подані на рис. 9, поруч наведена відтворена за допомогою програми Femtoscan поверхня реальної лунки, утвореної на зразку із CBN.

а)

б)
Рис. 9 – Падіння температури при натіканні швидкоплинного потоку у зоні лазерного впливу (а) та відтворений профіль поверхні зразка CBN, що сприйняв струминно-лазерного впливу (б)
Оскільки крок побудови становить 0,005 мм, локалізація температури (на ізотермі Т=600 0С) може знаходитися в межах 0,04 мм, що для перепаду
ΔТ=1500 0С охопить зону не більшу за 0,1 мм.
Причому, збільшення інтенсивності тепловідведення призводить до більшого падіння температури, а, отже, і до зменшення розмірів ділянки, охопленої термічним впливом. Таким чином, лазерний вплив під потоком рідини викликає у зоні впливу високу інтенсивність термічного напруження, характеризуються значними градієнтами температур. Отже, руйнування матеріалу слід очікувати у локальній (не більше за 0,1–0,15 мм) зоні, що значно менше як за зону гідродинамічного, так і термічного впливів [6].
У граничному режимі випаровування розмір борозенки залежить від повної енергії, що надходить на поверхню. З іншого боку, відбувається певне перенесення енергії вглиб матеріалу, обумовлене теплопровідністю. Це явище призводить до утворення деструктивного шару – шару зі зміненими фізико-механічними властивостями. Задача руху границь поділу фаз із урахуванням теплопровідності відома як задача Стефана. Припускаючи, що тепло поширюється по нормалі до поверхні, матимемо одномірне нестаціонарне рівняння теплопровідності для температури всередині матеріалу T(z,t) разом із граничними умовами на рухомій границі z=l(t) та на зворотньому боці заготовки. Тут коефіцієнт температуропровідності, K, ρ ,c - коефіцієнт теплопровідності, густина та
питома теплоємність відповідно. Нехтуючи впливом теплопровідності матеріалу, знайдено рівняння для визначення безрозмірної швидкості руху границі випаровування залежно від безрозмірного часу:

Розв’язання цього рівняння дозволило визначити швидкість переміщення впливу вздовж поверхні. Однак при проведенні практичного експерименту з різанням пластинки CBN з одночасним струминним охолодженням було отримано дещо інші результати. Різання пластини здійснювали за допомогою Nd: YAG лазеру, потужністю 400 Вт і працюючому на частоті 50 Гц.
Фокусування променя виконували за традиційною методикою, перевіряючи центрування променя та правильне потрапляння усіх його мод на фокусувальні лінзи тубусу. Продування зони впливу виконувалося звичайним стисненим повітрям, що потрапляло до сопла діаметром 2,8 мм під надлишковим тиском 0.05 МПа;, повітря фільтрувалося і надходило від ресиверу. Подачу рідини забезпечували із сопла діаметром 1,5 мм безпосередньо в центр фокусу лазеру. Робоча подача для отримання борозенки в 2,0 мм встановили на рівні 300 мм/хв., лазерній головці надавали прямолінійний рух, а відстань між зрізом сопла та поверхнею різу встановлювали за умови розташування фокальної площини на поверхні пластинки, тобто на відстані 7,2 мм. Це дозволяло б отримувати найбільшу температуру в точці дії променя. Звичайно, ця відстань припускалася досить малою, оскільки для такої довжини фокусу променя істотним може виявитися ефект підрізання променя. Отже, очікувалося, що борозенка має бути неглибокою, із заокругленими краями. Проте мікроскопічний аналіз різу, виконаний з такими режимами, показав наступне. При подачі 300 мм/хв. вдалося отримати борозенку шириною 0,13–0,14 мм глибиною 2,5–2,6 мм; при цьому косина різу не перевищувала кількох кутових градусів, а шорсткість поверхні була на рівні Ra 6,3 мкм (рис. 10).
Мікроскопічне дослідження торця зразка довело, що на ньому утворилися досить глибокі борозенки розбризкування, які можна пояснити дією крапель рідини, утворених внаслідок потрапляння повітряного потоку в рідинну ванну, над якою власне і був розташований зразок. Руйнування поверхні відбулося внаслідок низки процесів, обумовлених наявністю води на поверхні, активованої променем лазеру.


Рисунок 10 – Борозенка, отримана при швидкості робочої подачі 300 мм/хв. Nd:YAG – лазером: фото з площини обробки та з торця; борозенки
від краплин рідини, які потрапили на торець від повітряного потоку та були активовані лазером
Збільшення глибини борозенки очевидно пояснюється дією рідини, яка не тільки охолоджує пове- рхню у початковий момент часу дії лазеру, а й створює своєрідну багатопреломлюючу фокусуючу систему – додаткове «напівпрозоре дзеркало», яке передує розсіюванню випромінювання та веде до зростання поглинальної здатності матеріалу. Не викликає сумніву явище виникнення низькотемпературної плазми та процесів, що відбуваються в активній зоні дії лазеру і можуть бути описані відповідно до оптико-акустичної теорії, запропонованої Л.М. Лямше- вим [8].
Зі збільшенням щільності енергії, що виділилась у речовині, спостерігаються ефекти, що зумовлені зростанням швидкості розширення надтвердого матеріалу, а також змінами термодинамічних параметрів речовини матеріалу під дією лазера. При подальшому зростанні щільності енергії відбуваються більш складні фізико-механічні та фізико-хімічні процеси, пов'язані з фазовими переходами і оптичним пробоєм.
Довжина шляху пробігу світла, генерованого лазером у рідини (у матеріалі), залежить від частоти випромінювання (довжини світлової хвилі). Якщо і далі підвищувати інтенсивність лазерного випромінювання, що діє на поверхню рідини, то відбувається бурхливе закипання приповерхневого шару, з якого виривається струмінь пари назустріч лазерному променю. Вторгаючись з великою швидкістю в повітряний простір, струмінь пари породжує в повітрі інтенсивну ударну хвилю, а діючий на поверхню рідини імпульс віддачі створює в ній хвилю стиску.
Після закінчення лазерного імпульсу в результаті віддзеркалювання хвилі стиснення від поверхні рідини утворюється хвиля розрідження.
Остання викликає кавітацію – в приповерхневому шарі рідини з'являються добре помітні бульбашки. Така картина спостерігається, поки величина об'ємної щільності світлової енергії, що вводиться до речовини, не досягає деякого критичного значення, за якого виникає оптичний пробій в парі речовини, що випаровується.
Зокрема, оптичний пробій відбувається при взаємодії інфрачервоного випромінювання, що має інтенсивність 108 Вт/см2, з поверхнею рідини, а також при дії оптичного випромінювання з інтенсивністю 106–107 Вт/см2 на поверхню металу. Оптичний пробій в парах випаровується речовини призводить до утворення плазми, яка частково поглинає світлове випромінювання і екранує речовину.
Отже, можна умовно виділити три режими лазерного збудження при випаровуванні речовини: слабке випаровування – щільність енергії, що виділилась в речовині, близька до величини теплоти пароутворення; вибухове скипання – щільність енергії, що виділилась, істотно перевищує теплоту пароутворення, але оптичного пробою парів не відбувається, і плазмовий режим – інтенсивність світла настільки велика, що відбувається оптичний пробій продуктів випаровування і виникає плазма, яка поглинає лазерне випромінювання і екрануює речовину.
Такий поділ режимів лазерної генерації звуку при випаровуванні речовини є умовним, оскільки лежить в основі механізму випаровування та процесу переходу конденсованого стану в газоподібний під дією лазерного випромінювання, та характеризується поєднанням складних нелінійних явищ.
У плазмовому режимі ефективність перетворення світлової енергії в акустичну знижується внаслідок екранування речовини плазмою, що утворюється при пробої парів.
Особливо ефективно світлова енергія переходить в акустичну при оптичному пробої рідини (речовини), коли лазерне випромінювання фокусіруєтся в об'ємі рідини. У цьому випадку щільність енергії, що виділилась, може стати настільки великою, що рідина в фокальній області бурхливо скипає і випромінюється хвиля стиснення.
При ще більших інтенсивностях світла і щільностях енергії виникає явище оптичного пробою. У фокальній області відбуваються мікровибухи, з'являються порожнини, заповнені щільною плазмою, що світиться.
Лазерне випромінювання поглинається в плазмі, утворюючі додаткову енергію в порожнини. Під дією підвищеного тиску порожнина розширюється, випромінюючи ударну хвилю. Після закінчення лазерного імпульсу і припинення виділення енергії в плазмову порожнину газ охолоджується, світіння зникає і утворюється пухирець на поверхні.
Залежно від енергії лазерного випромінювання змінюється глибина положення максимуму щільності дефектів у зразку матеріалу, під дією лазерних ударних хвиль створюються нерівноважні дефекти при створенні глибоко розташованих р–n-переходів. Ударні хвилі можуть впливати на процеси впорядкування дво- та багатокомпонентних систем, а також стимулювати перебіг кристалохімічних реакцій.
Більш детальне вивчення мікрофотографій торця різу як з боку падіння променя, так і з протилежної сторони показало, що різ неоднорідний за структу рою, а також за кількістю поверхневих дефектів (рис. 11). У той же час істотних дефектів і пошкоджень поверхні не виявлено.




Рис. 11 – Перетин різу: з боку дії лазеру спостерігається термічна деструкцій поверхневого шару, очевидно, внаслідок існування зон малого термовпливу
Таким чином, використання при різанні води, що подається до зони лазерного впливу під низьким тиском, дозволяє значно посилити ефекти різання, забезпечує більш якісну крайку різа та зменшує товщину деструктивного шару. Відмінності розрахун- кової глибини борозенки з отриманою експериментально доцільно враховувати введенням додаткових
коефіцієнтів у прості емпіричні рівняння, які можуть бути отримані відомими засобами планування експерименту та отримання багатофакторних регре-
сійних рівнянь.
Перевірено можливість використання струминнолазерної обробки для різання міцних і надміцних пластинок. Цей метод передбачає наявність спеціальної струминно-лазерної головки та подавання рідини до зони обробки під високим тиском, із фокусуванням променя лазеру в певному перетині [9].
При лазерно-струминному впливі заготовка сприймає одночасно (або практично одночасно, якщо мова йде про використання імпульсного лазеру) два впливи, що викликають руйнування матеріалу. Сумарна потужність впливів виразиться у вигляді суми:

де F – площа струменя;
v – швидкість струменя;
- глибина проникаючого вилучення під дією лазерного випромінювання;
- глибина проникаючого вилучення під дією високошвидкісного струменя.
У цьому рівнянні перший доданок обумовлений лазерним випромінюванням, рівномірно розподіленим по поверхні площею А, другий доданок – дією швидкоплинного струменя, прикладеного до поверхні площею F.
Частина матеріалу, попадаючи під дію лазерного випромінювання, розплавляється та випаровування, причому на останнє витрачається значна доля потужності випромінювання. Зазвичай лазерне випромінювання впливає на глибину, меншу на величину , де ρ - товщина заготовки.
Процес струминно-лазерного різання можна організувати так, щоб
швидкоплинний струмінь забезпечував практично миттєве тепловідведення і виключав поширення теплового впливу поза межі ванни розплаву. У такому випадку можна записати:

де λ – питома теплота плавлення матеріалу;
- лінійний розмір розплавленого матеріалу;
c – питома теплоємність розплавленого матеріалу.
Для оцінки перетворень у ванні розплаву та визначення швидкості занурення струменя в оброблюваний матеріал міркували так. Силу опору розплавленого матеріалу дії потоку рідини визначили залежністю:

де р – різниця тисків, обумовлена гідродинамічним впливом рідини, що натікає.
Тоді, відповідно до закону Ньютона, матимемо:

Де - маса струменя рідини.
Рішення останнього рівняння свідчить, що при зануренні дозвукового струменя у розплав сила опору не залежить від числа Маха. При цьому тиск у
момент удару струменя по поверхні ванни розплаву для рідини, що стискується, в момент удару становить:

Де ρ1 – щільність струменя; Е,
μ – властивості струменя рідини.
При дії швидкоплинного струменя на розплав відбувається його практично миттєве охолодження зі швидкістю, що приблизно дорівнює швидкості звуку в матеріалі. Енергія струменя W при цьому витрачається на відведення тепла від зони розплаву, на деформацію мікрообсягів і на явища у зоні зрушень на межі тіла оброблюваної заготовки і ванни розплаву.
Прийнявши, що додаткова втрата кінетичної енергії, викликана впливом зрушення, дорівнює G, можна навести баланс енергії як

де z – швидкість після руйнування матеріалу,
Е – витрачена енергія, що визначається різницею кінетичних енергій струменя до й після моменту контакту,

де mc – маса струменя за зрізом сопла; m0 – маса руйнованого матеріалу.
Враховуючи, що ефективна динамічна швидкість при зрушенні практично постійна поки не виникне “адіабатичний” процес ковзання, вважаємо енергію G постійною та такою, що дорівнює Gm. Тоді вважаючи, що дотичне напруження або опір зрізу становить τs, рівняння кількості руху для процесу руйнування мікрообсягів заготовки струменем запишеться у вигляді:

де S, L – площа й довжина зрізу;
γ1 – питома вага заготовки;
δ – товщина заготовки;
g – прискорення вільного падіння;
mcg – вага проникаючого струменя в заготовку (перешкоду).
Після інтегрування рівняння від моменту t=0 до моменту проходження струменем всього поперечного перерізу заготовки, одержимо рівняння руху
фронту борозенки:

де z' – початкове занурення струменя.
Спільний розв'язок отриманих рівнянь дав змогу встановити швидкість занурення потоку в оброблюване тіло при сумісній дії теплового та гідродинамічного навантажень.
ВИСНОВКИ. Порівняння швидкості розвитку борозенки різу при струминно-лазерному різанні, лазерному різанні з водяним охолодженням та власне лазерному або гідро абразивному різанні дозволяє зробити такі висновки.
1) Гідроабразивне різання, попри його «холодність» та практично повну відсутність залишкових напружень, прихованих тріщин та поверхневих дефектів, має невисоку продуктивність та досить широкий проріз, порівняний із діаметром каналу використовуваної калібрувальної трубки (рис. 12).

Рисунок 12 – Порівняння якості різу пластинок CBN різними методами: а) лазерним із струминним охолодженням; б) струминно-лазерним; в) гідро абразивним
Існує також критична глибина прорізу, перевищення якої практично повністю унеможливлює різання.
Багато прохідне різання дозволяє із задовільною якістю отримувати будь-яку криволінійну поверхню при обробці пластинки товщиною до 8–10 мм.
2) Лазерне різання з продуванням зони обробки газом показало досить непогані результати, дозво ляючи отримувати борозенки різа 2,0–2,5 мм при
швидкостях робочої подачі до 300 мм/хв. із використанням Nd:Yag лазеру потужністю до 400 Вт та частотою подавання імпульсів – 50–75 Гц. Однак
зменшення швидкості подачі практично не збільшує глибину різа, що обумовлюється підрізанням променя торцевою поверхні, з одночасним її істотним розігріванням. На поверхні спостерігається ряд фазових та структурних змін, термічна деструкція поширюється на 0,2–0,8 мм від лінії різу.
3) Використання водяного охолодження з одночасним лазерним впливом за тих же режимів дозволяє збільшити глибину борозенки різа на 50–70 % і досягти 3,5–4,2 мм; при цьому зона термічного впливу зменшується до 0,1–0,25 мм; ширина різу становить 0,08–0,12 мм (рис. 12).
Процес вимагає проведення низки додаткових досліджень, направлених на виявлення умов максимальної локалізації впливу та за рахунок цього забезпечення значного зростання продуктивності різання.
4) Використання лазерно-струминного різання дає досить перспективні результати, однак також вимагає подальших досліджень. Порівняно з попереднім методом, незважаючи на підвищення приведених енерговитрат на створення струменя рідини високого тиску, не забезпечив відповідного зростання продуктивності. Навпаки, спостерігається зростання ширини різу до 0,25–0,35 мм, при цьому збільшення тиску не веде до ефектів зростання продуктивності як у випадках, описаних нами в [9]. Усі методи термічно-рідинної обробки показали досить високу якість; шорсткість отриманої поверхні не перевищує 3,2–6,3 мкм за параметром Ra, термічних пошкоджень поверхні не спостерігається.
Отже, використання методів одночасної дії теплового та механічно-гідродинамічного впливів дозволяє ефективно та надійно обробляти надміцні та тверді матеріали, розкриваючи перспективи використання цих матеріалів у складних шарнірних системах.
3.3. Чисельне моделювання процесів лазерного руйнування листових матеріалів
Розглянемо методику дослідження процесів лазерного руйнування листових матеріалів для виробів машинобудівної техніки з використанням прогресивних методів чисельного моделювання, зокрема методу скінченних елементів. Проведено чисельний температурний аналіз процесу лазерного руйнування машинобудівних матеріалів (сталей ВНС-5, 45, Х18Н10Т і титанового сплаву ВТ-5) і сформульовані рекомендації щодо вибору техно-
ня параметрів процесу лазерного різання для розглянутих марок матеріалів.
Ключові слова: технологічний процес, розмірна обробка, лазер, лазерна різка, нагрів, потужність, температурне поле, ізотерма, глибина різу, метод кінцевих елементів.
3.3.1. Механізм лазерного різання
Основні кількісні співвідношення для лазерного різання можна отримати з аналізу наступної теплової моделі процесу. Теплове джерело потужністю q, що дорівнює поглиненої матеріалом частці лазерного випромінювання P, рухається прямо-лінійно по поверхні нескінченної пластини товщиною s зі швидкістю v [3].
Стаціонарне теплове поле в рухомий системі координат може бути представлено сімейством ізотерм, згущених попереду і розріджених позаду рухомого джерела. На рис. 1 показані розрахункові ізотерми для теплового джерела потужністю 500 Вт, що рухається зі швидкістю 20 мм/с по пластині зі сталі 3 товщиною 1 мм [3].
Основні закономірності процесу можуть бути отримані при використовуванні моделі зосередженого теплового джерела. При цьому передбачається, що вся енергія джерела зосереджена в точці на поверхні матеріалу, але температура відповідних точок обох поверхонь зразка однакова (розглядається двовимірна задача теплопровідності).
Механізм лазерного різання матеріалів досить складний. Відповідно до існуючої теорією [4] після займання металу через деякий проміжуток часу встановлюється квазістаціонарний режим руйнування, при якому його швидкість vр обробки.

Рис. 1. Температурне поле рухомого точкового теплового джерела (qл = 500 Вт, v = 20 мм/с, s = 1 мм): 1 – T = 1300°С; 2 – T = 900°С; 3 – T = 700°С
Однак на механізм формування різу істотно впливають і ті явища, які відбуваються на верхній кромці металу до моменту встановлення квазістаціонарного руйнування. В цей перехідний період відбувається нагрівання верхньої кромки металу від вихідної температури до Tp і прискорення границі руйнування до швидкості vр. При цьому перехідний процес супроводжується перерозподілом поглиненої і перехідної в тепло енергії лазерного випромінювання.
У початковий момент межа руйнування нерухома, все тепло відводиться всередину металу механізмом теплопровідності, а також витрачається (при досягненні на верхній кромці деталі температури плавлення металу Tпл) на появу прошарку рідкого металу, його оксидів і нагрів цього прошарку до температури Tp. Товщина нагрітого шару поблизу нерухомого фронту руйнування зростає з плином часу t пропорційно [5].
Швидкість границі руйнування в перехідний період залишається незначною у порівнянні з квазістаціонарним. При досягненні ж температури Tp швидкість границі руйнування різко зростає до значення vр [5].
Отже, будемо вважати, що зміна швидкості границі руйнування носить ступінчастий характер: після деякого запізнювання вона досягає стаціонарної швидкості руху vр, яка визначається тільки температурою поверхні металу Тп.
Час t0 встановлення квазістаціонарного руйнування для малих швидкостей обробки можна визначити, враховуючи, що нагрівання металу відбувається рухаючись з постійною швидкістю v лазерним променем, сфокусованим в кругову пляму радіусу rл:

де Tн - початкова температура металу, °С;
Ткіп - температура кипіння металу, °С;
Wр - щільність лазерної потужності, Вт/см2;
P - потужність лазерного випромінювання, Вт.
Протягом часу t0 лазерний джерело переміститься по верхній кромці металу на відстань:

Отже, якщо за час t0 зона рідкого металу пошириться в напрямку різання на більшу відстань, ніж переміститься лазерний промінь (що характерно для низьких швидкостей різання), тобто хs>x0, то протягом цього часу перед рухомим лазерним променем на верхній кромці утворюється расплавлена ділянка.
При подальшому русі лазерного пучка обробка на цій ділянці відбувається тільки вглиб металу до тих пір, поки промінь лазера знову не досягне верхньої кромки металу. Потім знову протягом часу t0 верхня кромка металу нагрівається до температури T0 передньою частиною рухомого лазерного променя при нерухомій границі руйнування, тоді як завдяки решти лазерного променя триває різання вглиб металу. Процес періодично повторюється.
В даному випадку час досягнення квазістаціонарного руйнування:

Діапазон швидкостей обробки, для яких характерне утворення борознистого рельєфу поверхні різу, можна визначити з умови xs>x0.
Тоді

Максимальну товщину металу, що розрізає s для низьких і високих швидкостей різання можна визначити відповідно по залежностям [3]:

З огляду на, що різ в поперечному перерізі на верхній кромці деталі формується при нерухомій границі руйнування, його ширину можна оцінити з виразу:

При високих швидкостях обробки, коли теплоотводом в поперечному напрямку можна знехтувати, ширина різу на верхній кромці:

де

У глибинних шарах металу різ формується при рухається зі швидкістю vнр кордоні руйнування. Отже, його ширина в нижніх шарах різу повинна бути менше, ніж на верхній кромці. Цю величину можна уточнити з залежності:

Наведені залежності справедливі для широкого діапазону застосовуваних матеріалів, потужностей лазерного випромінювання, швидкостей обробки [5]. Дана теоретична модель може бути рекомендована для попередніх і оціночних розрахунків режимів лазерного різання металів безперервним лазерним випромінюванням.
3.3.2. Розробка чисельних моделей процесів лазерного різання металевих листових матеріалів
Моделювання процесу лазерного різання проводили в системі інженерного кінцево-елементного аналізу ANSYS. Був досліджений процес руху лазерного променя по поверхні матеріалу і утворення завдяки цьому руху наскрізного різу з відображенням розподілу виникнення температурного поля.
Використані при розробці моделей характеристики матеріалів наведені в таблиці [5].
Характеристики листів, що розрізають

Марка матеріалу Теплопровідність
k, Вт/мм•град Питома теплоємкість
с, Дж/г•град Плотність , г/см3
Титановий сплав ВТ-5 0,023 0,52 4,5
Сталь ВНС-5 0,02 0,5 7,56
Сталь 45 0,0519 0,477 7,845
Сталь Х18Н10Т 0,0155 0,48 7,9
В якості варійованих параметрів, які найбільше впливають на процес різання, обрані швидкість і товщина матеріалів; потужність лазерного променя прийнята у всіх розрахункових випадках постійної і рівної 1000 Вт.
Швидкості обрані в діапазоні: 5 мм / с, від 10 до 50 мм / с з кроком 10 мм / с, товщини листа - від 1 до 4 мм з кроком 1 мм.
Для чисельного рішення задачі різання листового металу лазерним променем був застосований тип аналізу Transient Thermal Analysis, що дозволяє врахувати характер зміни досліджуваних температурних характеристик з плином часу.
Моделювання процесу представлено наступним чином. Пластина з заданими габаритними розмірами H × B × L розбивається на кінцеві елементи SOLID70, представлені в бібліотеці елементів ANSYS з різною щільністю розбиття. Задаються вихідні дані матеріалу пластини - коефіцієнт теплопровідності, теплоємність і щільність. Конвективний теплообмін пластини з навколишнім середовищем не враховується через швидкоплинність процесу лазерного різання і дослідження характеристик різу в початкові моменти часу.
Промінь лазера представлений у вигляді точкового джерела тепла заданої потужності (1000 Вт), що прикладається почергово до вузлів елементів пластини, які лежать на траєкторії лінії різу. Час переходу від одного вузла задавалося таким чином, щоб швидкість переходу від одного вузла до іншого відповідала даній швидкості різання.
Спрощено різання пластини вважалася задовільною при досягненні в елементах пластини на зворотному від падіння променя стороні температури кипіння матеріалу. При вирішенні завдання відбувався покроковий розрахунок руху променя по поверхні пластини. Всього було прораховано дев'ять кроків в будь-якому вигляді. Цього достатньо для отримання наочного уявлення про процес різання, далі процес повторюється за тією ж схемою. За підсумками розрахунків були отримані динамічні анімаційні моделі процесів у вигляді відеороликів, що дозволяють отримати наочне уявлення про проходження процесу. Для кожного розрахункового випадку процес вважався завершеним при повному розрізуванні матеріалу з максимально можливою для даної товщини швидкістю.
Аналіз отриманих результатів
Як типовий приклад наведено аналіз результатів для титанового сплаву ВТ-5. На рис. 2 показано розподіл температурного поля в початковий момент часу для пластини товщиною 4 мм, що розрізає зі швидкістю руху лазерного променя 5 мм/с. У початковий момент часу, коли промінь знаходиться ще у кромки пластини, починається процес інтенсивного нагріву і окислення матеріалу.

Рис. 2. Температурне поле в початковий момент часу
Початок наскрізного різу настає через 0,4 с (або на четвертому кроці від початку руху променя по поверхні пластини - рис. 3, а). На останньому, дев'ятому, етапі через 0,9 с картина розподілу температур має інший вигляд (рис. 3, б).

а)

б)
Рис. 3. Етапи повного розрізання пластини товщиною 4 мм при швидкості різання 5 мм/с: а - через 0,4 с; б - через 0,9 с
Просторовий розподіл температурного поля (товщина пластини 4 мм, швидкість руху променя 5 мм/с) показано на рис. 4.

а)

б)

в)
Рис. 4. Температурне поле розрізає пластини: а - в початковий момент часу; б - через 0,4 с; в - через 0,9 с
Як видно з рис. 4, ширина різу на верхній площині не змінюється від початку наскрізного розрізання пластини до останнього розрахункового кроку (на рис. 4, б, в - це зона сірого кольору). Очевидно, що такий розподіл температурного поля буде зберігатися до кінця різання пластини.
На рис. 5 показані результати на останньому, дев'ятому, розрахунковому кроці, який за часом відповідає моменту часу 0,9 с від початку процесу різання. Наскрізна лазерна різка для титанового сплаву ВТ-5 товщиною 4 мм починається при швидкості руху променя 5 мм/с. При швидкості 10 мм/с різ спостерігається приблизно до середини товщини листа (рис. 5, а), а при швидкості 50 мм/с - різ незначний, такий може застосовуватися для неповного прорізання, наприклад гравірування (рис. 5, б).

а)

б)
Рис. 5. Різка листа товщиною 4 мм з титанового сплаву ВТ-5 зі швидкістю: а - 10 мм/с; б - 50 мм/с
У вуглецевих сталях, в даному випадку для сталі 45, на відміну від титанових сталей з підвищенням температури значення коефіцієнта теплопровідності k зменшується [5]. Це призводить до того, що здатність матеріалу пропускати тепло знижується, тому при різанні такого матеріалу спостерігався наскрізний різ лише у пластин товщиною 1 і 2 мм при максимальних для них швидкостях 50 і 10 мм/с відповідно.
Наскрізного різу для товщини 3 і 4 мм не відбувається в діапазоні обраних для розрахунку швидкостей. Так само, як і при різанні титанового сплаву, в початковий момент часу, коли лазерний промінь знаходиться у кромки матеріалу, відбувається процес інтенсивного нагріву і окислення. Картина розподілу температур по товщині матеріалу в початковий момент часу для листа товщиною 2 мм при швидкості різання 10 мм/с показана на рис. 6.
Як видно з рис. 6, температурне поле в початковий момент часу в сталі 45 поширюється на меншу глибину в порівнянні з титановим сплавом ВТ-5 (див. рис. 5, а). На рис. 7 показано розподіл температури по товщині пластини для початку повного прорізання, на четвертому кроці (0,2 с) від початку руху променя і на дев'ятому етапі (0,45 с) відповідно.

Рис. 6. Температурне поле в початковий момент часу для листа товщиною 2 мм при швидкості різання 10 мм/с

а)

б)
Мал. 7. Температурне поле в початковий момент повного прорізання листа товщиною 2 мм при швидкості різання 10 мм/с: а - через 0,2 с; б - через 0,45 с
З розглянутого діапазону швидкостей різання листа зі сталі 45 товщиною 2 мм можлива лише при швидкості не більше 10 мм/с. При швидкостях вище цього значення наскрізного різу не відбувається. При швидкості 20 мм/с різ спостерігається приблизно до середини товщини металу, а при швидкості 50 мм/с товщина різу незначна.
На рис. 8 показано отримане температурне поле на останньому, дев'ятому, етапі розрахунку (0,45 с).

а)

б)
Мал. 8. Результати моделювання процесу лазерного різання листа зі сталі 45 товщиною 2 мм при різанні з різними швидкостями: а - 20 мм/с; б - 50 мм/с
У нержавіючих сталях, в даному випадку для стали Х18Н10Т, різка здійснюється для трьох розглянутих товщини - 1, 2 і 3 мм. Це пояснюється тим, що у сталі Х18Н10Т коефіцієнт теплопровідності k значно нижче, ніж у сталі 45. У результаті процесу моделювання знайшло своє підтвердження припущення про те, що ширина різу на поверхні входу променя більше ширини різу на виході. Це наочно показано на рис. 9 для сталі Х18Н10Т (область, виділена сірим кольором).

а) б)
Рис. 9. Ширина різу на верхній (а) і нижньої (б) площинах пластини при різанні стали Х18Н10Т (товщина 2 мм, швидкість 10 мм/с)
Наскрізне розрізання листа товщиною 1 мм відбувається на всіх режимах обраних для розрахунків швидкостей, листа товщиною 2 мм - на швидкостях до 30 мм/с, листа товщиною 3 мм - на швидкостях 5 і 10 мм/с.

а) б)
Мал. 9. Ширина різу на верхній (а) і нижньої (б) площинах пластини при різанні стали Х18Н10Т (товщина 2 мм, швидкість 10 мм/с)
На рис. 10 показано розподіл температури для матеріалів ВТ-5, ВНС-5, стали 45 і Х18Н10Т при лазерного різання пластин товщиною 1 мм зі швидкістю 20 мм/с.

а)

б)

в)

г)
Рис. 10. Розподіл температурного поля при різанні пластин товщиною 1 мм зі швидкістю 20 мм / с: а - ВТ-5, б - ВНС-5, в - сталь 45, г - Х18Н10Т
Як видно з рис. 10, в титановому сплаві температурне поле поширюється швидше при одній і тій же швидкості різання, ніж в сталях.
При різанні вуглецевих сталей необхідно прагнути до фокусування випромінювання в плями меншого діаметра (використовувати установки з малим використанням лазерного пучка, що працюють в одному режимі, застосовувати більш короткофокусні лінзи) з метою підвищення щільності потужності в зоні різання, однак не більше тієї величини Wр, при якій на обраних швидкостях настає некероване горіння сталі.
Для нержавіючих сталей глибина різу s зростає зі зменшенням діаметра плями фокусування з одночасним зниженням і його якості. Для титанових сплавів характерні ті ж закономірності, однак при зниженні щільності потужності спостерігається значно більше різке зниження глибини розрізання металу. В результаті однакову глибину якісного розрізу для титанових сплавів можна отримати як при високій щільності потужності і більш високій швидкості різання, так і при низьких значеннях щільності потужності і швидкості різання. Отже, при різанні нержавіючих сталей не завжди слід прагнути до підвищення щільності потужності в зоні різання.
При різанні ж титанових сплавів кращі результати виходять при підвищенні щільності потужності в зоні обробки.
Ширина різу знижується зі зменшенням діаметра плями фокусування на всіх розглянутих матеріалах, незважаючи на деяке підвищення при цьому щільності потужності. Також вона залежить і від теплопровідності матеріалу.
Результати досліджень показали, що поряд з щільністю потужності важливим технологічним фактором, багато в чому визначальні розмірні параметри обробки, є швидкість різання. Однак варіювання швидкості обра- лення має обмеження. Нижньою межею допустимої швидкості різання для вуглецевих сталей служить перехід процесу в режим автогенного різання, для нержавіючих сталей, титанових і алюмінієвих сплавів - різке погіршення якості поверхні різу. В умовах різання металів лазером потужністю 1000 Вт такі явища особливо характерні при швидкостях обробки менше 0,3 ... 0,5 м/хв. Занадто ж високим швидкостям різання відповідає різке зниження товщини, що розрізають деталі. Тому зазвичай швидкість різання не підвищують більше 6 ... 8 м/хв [3].
3.4. Дослідження лазерного руйнування кристалів металів під дією випромінювання лазера CaF2 : Ег3+ (λ=2,76 мкм)
Досліджено лазерне руйнування ряду лужногалоїдних та інших кристалів на λ = 2,76 мкм з використанням лазера на кристалі CaF2: Ег3+ (тривалість імпульсу 85 нс). Отримані на найбільш оптично стійких зразках NaCl при різних температурах (в інтервалі 300-1000 К) результати порівнюються з даними вимірів на інших довжинах хвиль і обговорюються на основі механізму лавинного пробою.
Знайдено, що виміряна величина порога на λ = 2,76 мкм при Т-300 К разом з даними, отриманими раніше на λ = 10,6; 1,06 і 0,69 мкм, добре пояснюється теорією лавинної іонізації при значенні параметра ефективної частоти електрон-фононних зіткнень υеф = 6 * 1014с-1, проте теорія не пояснює спостережувану на λ = 2,76 мкм температурну залежність порога руйнування. До останнього часу дослідження лазерного руйнування в ІК діапазоні обмежувалося лише двома довжинами хвиль: 10,6 мкм (С02-лазер) і 1,06 мкм (лазери на неодімовим склі або гранаті з неодимом). Між тим для з'ясування механізму лазерного руйнування представляє безперечний інтерес досліджувати лазерне руйнування на інших довжинах хвиль ІК діапазону, оскільки частотна залежність порога руйнування є одним з найбільш характерних критеріїв механізму руйнування [1, 2]. Проведені в роботі [3] дослідження лазерного руйнування ряду лужногалоїдних кристалів на λ = 0,53; 0,69; 1,06 і 10,6 мкм показали, що механізмом руйнування для найбільш стійких зразків може бути лавинна іонізація. Однак аналіз експериментальних даних по температурної залежно порогів руйнування на λ = 10,6 мкм на основі теорії лавинної іонізації виявив суттєві розбіжності теорії і експерименту, причини яких залишилися не з'ясовані. У зв'язку з цим в даній роботі ми досліджували ті ж кристали, що і в роботі [3], з використанням лазера на кристалі CaF2 : Ег3+ (λ=2,76 мкм). Вивчалася температурна залежність порога руйнування в кристалах NaCl, а також були виміряні пороги руйнування для ряду лужногалоїдних та інших кристалів (КС1, KBr, KJ, CsJ, CsBr, LiF, NaF, RbCl, BaF2) при кімнатній температурі.
3.4.1. Описання установки і методика експеремента
Схема експериментальної установки наведена на рис. 1. Лазер працював в режимі одиночних імпульсів на основний моді ТЕМ00, тривалість імпульсу по напіввисоті становила 85 нс. Невелика частина від основного лазерного пучка відводилася платівкою з CaF2 для контролю енергії імпульсу. Ослаблення пучка здійснювалося за допомогою каліброваних фільтрів зі скла БС. Для фокусування випромінювання всередину досліджуваних зразків використовувалися лінзи з CaF2 з фокусною відстанню f = 24, 31, 40 мм, які містилися в далекій зоні лазерного пучка. Для визначення розподілу інтенсивності в фокусі лінз використовувалася методика «Опіку емульсії фотоплівки», аналогічна описаній в [3]. Розподіл інтенсивності в поперечному перерізі каустики було близьким до гаусову.
Діаметр пучка в мінімальному перетині каустики для найбільш часто використовуваної лінзи з фокусною відстанню f = 24 мм на рівні 1/е від максимальної інтенсивності дорівнював 20 мкм, що близько до дифракційному межі (18,5 мкм). Випромінювання фокусувалася в обсяг зразків на глибину кількох міліметрів. Руйнування фіксувалося візуально по іскрі і по розсіюванню в пучку гелій-неонового лазера. Кожен раз поза
Залежно від наявності руйнування випробуванню піддавалася нова точка зразка.
Вимірювання порогових інтенсивностей руйнування при використанні лінз з різними фокусними відстанями, зазначеними вище, дали близькі результати, що свідчить про відсутність впливу самофокусіровкі випромінювання. Точність вимірювання порогових інтенсивностей руйнування становила 10% для відносних величин і 50% для абсолютних.
Температурна залежність порогів досліджувалася в інтервалі 300-1000 К.

Рис. 1. Схема експериментальної установки: 1 - лазер на CaF2: Er3+; 2 - Не - Ne- лазер; 3 - пластина з CaF2; 4 - калориметр; 5 - самописець; 6 - ослабляють фільтри зі скла БС; 7- лінза з CaF2 для фокусування випромінювання всередину зразка; 8 - зразок.

Рис. 2. Гістограми розподілу порогів лазерного руйнування кристалів NaCl (А - кількість зразків) при кімнатній температурі на λ = 10,6 (а, по даними [5]); 2,76 (б) і 1,06 мкм (в, по даними [5])
3.4.2. Експериментальні результати та їх обговорення
При дослідженні лазерного руйнування різних кристалів були виявлені значні варіації порогів руйнування від зразка до зразка.
Результати дослідження розподілу великої кількості кристалів NaCl по порогам об'ємного руйнування при кімнатній температурі наведені на рис 2 в вигляді гістограми. Тут же для порівняння наведені аналогічні розподілу для тих же кристалів NaCl, отримані раніше [5] на λ = 10,6 і 1,06 мкм. Порівняння розподілів, наведених на рис. 2, показує, що в основному одна і та ж група кристалів має максимальний порогом як на λ = 2,76 мкм, так і на λ = 10,6 мкм, в той час як на λ, = 1,06 мкм пороги кристалів даної групи не максимальні.
Крім того, на λ = 2,76 мкм розподіл має один максимум, на відміну від розподілів для двох інших довжин хвиль.
Виявлені варіації порогів і невідповідність гістограм на різних частотах вказує на істотний вплив домішок і дефектів на процес руйнування, яке по різному на різних частотах. Можна, однак, очікувати, що тільки в кристалах, що володіють максимальним порогом руйнування на кожній з частот реалізується власний механізм руйнування, який не обов'язково має місце в одному і тому ж кристалі на всіх частотах. Виходячи з цього, при аналізі частотної залежності ми використовували дані, отримані на кристалах, що володіють максимальними порогами руйнування.
Крім NaCl в даній роботі досліджувалися і інші кристали, пороги об'ємного руйнування яких для найбільш стійких з наявних у нас зразків наведені в таблиці. Оскільки ми не мали достатньо великою кількістю зразків таких кристалів, залишається неясним, чи є виміряні пороги максимальними на λ = 2,76 мкм.
Порівняння цих порогів з порогами руйнування на λ = 1,06 мкм вказує, що вони, по-видимому, близькі до граничних і тому наведені результати, доповнюючи наявні експериментальні дані по частотної залежності, можуть представляти інтерес для з'ясування механізму руйнування в досліджених кристалах.
Ми детально вивчили температурну залежність порогів лазерного руйнування кристалів NaCl на λ = 2,76 мкм. При цьому на зразках з відносно низькими вихідними порогами (при Г = 300 К) величини порогів при підвищенні і зниженні температури жодного разу не відтворювалися: поріг
руйнування підвищувався при зміні температури по циклу 300 К → 1100 → 300 К. Аналогічний ефект зміцнення був раніше виявлений для таких же кристалів на λ = 1,06 і 0,69 мкм [3] і якісно був пояснений впливом домішок на основі моделі освіти і розпаду домішкових кластерів при термообробці. В роботі [3] було показано, що справжні температурні залежності порогів руйнування, характерні для власного механізму руйнування, можуть бути отримані лише на зразках, не схильних до зазначеного ефекту зміцнення. Така залежність для одного з найбільш стійких зразків NaCl, отримана нами на λ = 2,76 мкм в діапазоні 300 - 900 К, наведена на рис. 3.
Припускаючи, що спостерігається залежність властива власним механізмом руйнування, яким можна вважати ударну іонізацію, зрівняємо цю залежність і передбачає теорія електронної лавини [1,2]. Відповідно до теорії падаючий характер температурної залежності може спостерігатися, якщо ефективна частота електрон-фотонних зіткнень υеф менше частоти лазерного випромінювання [1]. кількісне порівняння з формулою для критичного поля при цьому призводить до υеф = 2*1014с-1.
Частоту електрон-фотонних зіткнень можна також оцінити з частотної залежності порога лазерного руйнування. використовуючи дані [3] вимірювань порогів руйнування на λ = 10,6; 1,06 і 0,69 мкм, отримуємо, що виміряний нами поріг на λ = 2,76 мкм добре узгоджується з теорією електронної лавини, якщо для υеф прийняти значення 6*1014с-1. Видно що ця величина значно відрізняється (поза межами помилки експерименту) від отриманої з температурної залежності. Ця розбіжність залишається незрозумілим. Можна припускати, що величина υеф = 6*1014с-1, мабуть, більш краща, оскільки вона добре пояснює частотну залежність порога руйнування в досить широкому діапазоні довжин хвиль випромінювання λ (від 10,6 до 0,69 мкм).
Відзначимо, що аналогічне розбіжність в даних для υеф, одержуваних з температурної і частотної залежностей порогів руйнування, було виявлено раніше при дослідженнях лазерного руйнування в лужно галоїдних кристалах на λ = 10,6; 1,06 і 0,69 мкм в роботі [3], де було показано, що розвинена теорія лавинної іонізації добре пояснює температурну залежність для високочастотного випромінювання (λ = 0,69 і 1,06 мкм), але не пояснює відсутність залежності порога руйнування від температури для низькочастотного випромінювання (λ = 10,6 мкм). Отримані нами результати також свідчать про таку невідповідність. Все це наводить на думку, що в області низьких частот процес лавинної іонізації відрізняється від такого в області високих частот. Для остаточного з'ясування цього питання потрібні подальші теоретичні та експериментальні дослідження.

рис 3. Залежність порогової інтенсивності лазерного руйнування кристала NaCl від температури на довжині хвилі 2,76 мкм.
Пороги лазерного руйнування (в 1010 Вт/см2) деяких матеріалів при кімнатній температурі

Висновок
1. Проведено аналіз можливості дослідження і розроблені чисельні (звичайно-елементні) моделі процесу лазерного різання металевих листових заготовок для деталей машинобудівної техніки.
2. Аналіз результатів моделювання показав, що титанові сплави мають кращу здатність до різання лазерним випромінюванням, незважаючи на підвищені в порівнянні з конструкційними сталями характеристики.
Високоміцні сталі при інших рівних параметрах (потужність випромінювання, швидкість різання) в порівнянні з титановими сплавами при лазерному різанні мають обмеження по товщині листа. Ці обмеження пов'язані з різними механізмами зміни теплопровідності таких матеріалів при нагріванні до температури кипіння.
3. Моделювання температурних полів при лазерному різанні різних груп матеріалів з різними швидкостями різання для різних товщин листів показало, що ширина різу на вході і виході лазерного променя різна і залежить від швидкості різання.
4. Аналіз результатів моделювання температурних полів при лазерному різанні різних груп матеріалів і різної товщини листів показав, що найбільш ефективним технологічним параметром для управління якістю різу є швидкість руху лазерного променя.
Література
1. Кривов, Г. А. Технология самолетостроительного производства [Текст] / Г. А. Кривов. – К.: КВІЦ, 1997. – 459 с.
2. Гайдачук, В. Е. Анализ эффективности технологии лазерной резки листовых деталей из цветных металлов в серийном авиационном производстве [Текст] / В. Е. Гайдачук, А. И. Костенко // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 61(1). – Х., 2010. – С. 20 – 37.
3. Технологические лазеры: справ., в 2 т. – Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация [Текст] / Г. А. Абильсиитов, В. С. Голубев, В. Г. Гонтарь; под ред. Г. А. Абильсиитова. – М.: Машиностроение, 1991. – 432 с.
4. Анисимов, С. И. Действие излучения большой мощности на металлы [Текст] / С. И. Анисимов, Я. А. Имас, Г. С. Романов и др. – М.: Наука, 1970. – 192 с.
Краткий справочник физико-химических величин [Текст] / под ред. К. П. Мищенко, А. А. Равделя. – М.: Высш. шк., 1969. – 268 с.
5. Лезвийный инструмент из сверхтвердых материалов / Под ред. акад. Н.В. Новикова. – К.: Техника, 2008 – 280 с.
6. Саленко А.Ф., Щетинин В.Т., Федотьев А.Н. Повышение точности контурного гидроабразивного резания пластин из твердых сплавов и сверхтвердых материалов // Сверхтвердые материалы. – 2014. – № 3.
– С. 73–82.
7. Fedotyev А., Fedotyeva L. The prospects of carbolloies waste utilization as wearpro of coverings” //Известия на Техническия университет Габрово. –
2010. – Т. 39. – С. 30–33.
8. The Theory of Laser Materials Processing / John Dowden/Springer pb./Materials Science 119.
9. Коваленко В.С. Лазерная обработка материалов. – К.: Наукова думка, 1992. – 288 с.
10. Гиндин П.Д. Математическая модель термораскалывания хрупких анизотропных материалов // Поверхность. – 20-10. – № 1. – С. 14–18.
11. Salenko A.F., Fomovska O.V., Dudyuk V.A., Mana O.M. (2010) “Some results of exploration of water jet guided laser onto the solids’ surface”, Unitex:
International scientific conference, 19–20 november, Gabrovo, pp. 414–421.
12. Лямшев Л.М. Лазеры в акустике [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// www.ras.ru/FStorage/download.aspx?Id=c5f15d9f-7d89-4972-b126.
13. Фомовская А.В. Качество обработки материалов гидроабразивной струей // Оборудование и инструмент, – 2008. – № 6. – С. 12–18.




Комментарий:

Магистр полный, отличный. Год защиты 2018


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы