ВВЕДЕНИЕ 2
2 ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 5
3 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 26
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 51
5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В СТАЛИ
08ЮА НА СТАДИИ ОХЛАЖДЕНИЯ (ДВУХМЕРНАЯ ЗАДАЧА) 73
6 ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ СОВМЕЩЕННОЙ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННОЙ ГОЛОВКИ 81
7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относится лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов[16].
В настоящее время применение лазерных технологий в машиностроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.
Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии.
Среди лазерных источников, используемых для обработки материалов, наиболее широкое распространение получили высокомощные СO2-лазеры. Такие лазеры, мощность которых достигает 20 кВт, на сегодняшний день составляют абсолютное большинство среди установок, применяемых для резки, сварки и термообработки[39]. Их серийно выпускают в Европе, США, Японии и в России.
Возможность изменять геометрию пятна нагрева делает лазеры весьма подходящими для проведения сварки в теплопроводностном режиме, пайки и других процессов поверхностной обработки.
Созданы ЛТК для термообработки, сварки и резки, в том числе и с использованием волоконно-оптических систем передачи излучения. В некоторых лазерных системах луч с квадратным сечением диодного лазера вводят в гибкое оптоволокно. Применение радиальной симметрии выходящего излучения дает возможность сделать результаты обработки не зависящими от направления перемещения источника нагрева, излучение такой формы наиболее подходит для обработки трехмерных изделий с помощью роботизированных систем.
Одним из последних достижений в области лазерных технологий стало создание мощных волоконных лазеров (до 20 кВт)[15]. Их использование позволяет получить различные временные характеристики излучения в спектральном диапазоне от 1 до 2 мкм. Область их применения весьма разнообразна: лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать, лазерные дальномеры и трехмерные локаторы, аппаратура для телекоммуникаций, медицинские установки и т. д.
Возможность применения технологических лазеров для различных видов обработки материалов зависит от энергетических характеристик и временных параметров.
Объем производства и продаж технологических лазеров год от года неуклонно возрастает. Ведущими мировыми производителями лазерной техники являются США, Г ермания, Япония и Россия. Российские предприятия предлагают почти все виды лазерной техники — от технологических установок для обработки материалов до медицинской аппаратуры, измерительных приборов и телекоммуникационного оборудования. Центры, создающие лазерную технику, находятся в Москве,
С.-Петербурге, Новосибирске, Туле. В области мощных технологических
3
СО2-лазеров и ЛТУ на их основе работают ИПЛИТ РАН (Шатура), ИСТОК (Фрязино) и ИТПМ РАН (Новосибирск).
Импульсные твердотельные лазеры выпускают московские фирмы «Галактика», «Лаген», «Лазеры и аппаратура», «Полюс» и «Пульсар». Несколько компаний производят мощные лазерные диоды: «Полюс»
(Москва), «Полупроводниковые приборы» (С.-Петербург), «Инжект» (Саратов)[22]. Непрерывные и импульсно-периодические твердотельные лазеры, и технологические установки мощностью до 1 кВт изготавливает «Тулмашзавод» (Тула).
Существует небольшое количество фирм—производителей лазеров с диодной накачкой, в основном маломощных, для применения в метрологии и медицине. К ним относится фирма «Лазер-компакт» (Москва). Лазерные маркеры производятся компаниями ЦЛТ (С.-Петербург), «Лазеры и аппаратура», «Полюс», «Альфа» (Москва). ЛТК для микрообработки полупроводников и других приме-нений в электронной промышленности предлагает НПЦ «Технолазер» (Москва).
Цель работы состоит в повышении эффективности процесса резки стали за счет применения комбинированной лазерно-плазменной технологии.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи:
Выявить основные параметры технологического процесса резки влияющие на показатели качества реза.
Разработать математическую модель температурного поля в металле на стадии охлаждения
На основе разработанной математической модели создать новую установку с применением новой лазерно-плазменной головки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана новая лазерно-плазменная технология резки стали 08ЮА с выявлением основных параметров влияющих на качество технологического процесса.
В процессе выполнения магистерской работы разработана методика выполнения экспериментов, на основе которой исследована динамика изменения температурного поля таких металлов как сталь. Был произведён микроструктурный анализ деталей из стали 08ЮА после лазерной резки при различных мощности и скорости реза. А также решены поставленные научные задачи и получены следующие выводы:
Выявлено, что основным параметром технологического процесса резки влияющим на показатели качества реза является температура зоны термического влияния в металле.
Разработанная математическая модель расчета температурного поля в стали на стадии охлаждения с учетом изменения коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры в стали, позволяет оценить скорость охлаждения.
Новая исследовательская установка с применением новой лазерноплазменной головки позволяет повысить эффективность резки стальных деталей.
1. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/Под общ. ред. Ю.М.Лахтина, А.Г.Рахштадта. - М.:Машиностроение, 1980.
2. Технологические процессы лазерной обработки. Григоьянц А.Г. Шиганов И.Н., МисюровА.И., 2006.
3. Физические основы применения КПЭ в технологиях обработки материалов-Клебанов Ю.Д.,Григорьев С.Н.
4. Гортышев Ю.Ф., Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др. Теория и техника теплофизического эксперимента. -М.: Энергоатомиздат, 1985 - 360 с.
5. Хора Х. Физика лазерной плазмы.: Пер. с англ./ Под ред. Г.В. Скливкова. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
7. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. - М.: Наука, 1988.
8. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. - М.: Сов. Радио,1972.
9. Звелто О. Принципы лазеров: Пер.с англ./ Под ред. Т. А. Шмаонова М.: Мир,1984. - Гл.7,8.
10. Франсон М., Сланский С. Когерентность в оптике: Пер с фр./Под ред. К.С. Шифрина. - М.: Наука, 1967.
11. Перина Я. Когерентность света: Пер.с англ./ Под ред. П.П. Барашева и В. П. Кузнецова. - М.: Мир, 1974.
12. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Атом в силовом световом поле. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - ;5.1.
13. Слюсарев Г.Г. О возможном и невозможном в оптике. - М.: Физматгиз, 1960.
14. Рапопорт Л.П., Зон Б.А., Манаков Н.Л. Теория многофотонных процессов в атомах. - М.: Атомиздат, 1978.
15. Акулин В.М., Карлов Н.В. Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике. - М.: Наука, 1978.
16. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Параметры атомов и атомарных ионов. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
17. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы: Пер. с англ./ Под ред. В.Л. Стрижевского. - М.: Мир,1978.
18. Клебанов Ю.Д., Григорьев С.Н. Физические основы применения концентрированных потоков энергии в технологиях обработки материалов. Издание второе. Учебник. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус - К, 2005-220с.
19. Патон Б. Е. Плазменные технологии на рубеже веков / Автоматическая сварка. - 2000. - № 12. - С. 3-5.
20. Коваленко В. С. Лазернатехнолопя: новщосягнення // Вестник НАНУ. -
2000. - № 1. - С. 11-22.
21. Коваленко В. С., Кривцун И. В. Комбшованые лазерно-дуговые процессы обработки материалов (I) // Наука вести НТУУ <КП1>. - 2001. - № 5.
22. Коваленко В. С., Кривцун И. В Комбшованые лазерно-дуговые процессы обработки материалов (II) // Наука вести НТУУ <КП1>. - 2001. - № 6.
23. Кривцун И. В. Особенности проплавления металла при лазерно-дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 2001. - № 12.
24. А. П. Халбошин, Ю. В. Курочкин, А. М. Любченко и др.Повышение скорости лазерной резки металлов плазменным подогревом / Сварочное производство. - 1990. - № 12. - С. 3-5.
25. Штауфер Г. Лазерная гибридная сварка // Труды Международной конференции <Сварка и соединение 2000: Новые материалы и новые перспективы>, Израиль, 2000. - М: <СпецЭлектрод>, 2000. - С. 52-61.
26. Углов A. A. I Всесоюзное совещание по лазерной металлургии и лазерноплазменной обработке, 20-22 ноября 1984 г. (хроника) // Физика и хими обработки материалов. - 1985. - № 5. - С. 143.
27. Гутман М. Б., Рубин Г. К., Селезнев Ю. Н. Лазерно-плазменно-дуговая обработка металлических изделий // Автомобильная промышленность. -
1986. - № 10. - С. 32-33.
28. Селезнев Ю. Н., Журавель В. М. Лазерно-дуговая обработка деталей // Автомобильная промышленность. - 1988. - № 2. - С. 23.
29. Бородачев А. С., Журавель В. М., Селезнев Ю. Н. Анализ процессов лазерно-дуговой металлообработки // Электротехника. - 1988. - № 11. - С. 16-18.
30. Селезнев Ю. Н. Применение поглощающих покрытий при лазернодуговой термообработке // Электротехника. - 1988. - № 11. - С. 18-20.
31. С. Г. Горный, В. А. Лопота, В. Д. Редозубов и др. Характеристики дуги постоянного тока прямой полярности при одновременном нагреве металла лазерным пучком / Автоматическая сварка. - 1987. - № 11. - С. 73-74.
32. / В. В. Башенко, С. Г. Горный, В. А. Лопота и др. Лазерно-дуговая сварка металлов. - Л.: ЛДНТП, 1988. - 22 с.
33. Горный С. Г., Лопота В. А., Редозубов В. Д. Исследование электрических характеристик дуги при лазерно-дуговой сварке // Сварочное производство. - 1989. - № 1. - С. 28-29.
34. С. Г. Горный, В. А. Лопота, В. Д. Редозубов и др. Особенности нагрева металла при лазерно-дуговой сварке / Автоматическая сварка. - 1989. - №
1. - С. 73-74.
35. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990.
36. Барвинок В.А., Мордасов В.И., Шорин В.П. Высокоэффективные лазерно - плазменные технологии в машиностроении. М.: Межд. Центр научн. И техн. Информации, 1997.
37. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений.
38. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. — Л.: Наука, 1974. 108 с.
39. Рабинович С. Г. Погрешности измерений. — Л.: Энергия, 1978. 261 с.
40. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. — М.: Мир, 1972. 381 с.
41. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Издательство Энергоатомиздат. Ленингр. отделениение, 1991. — 304 с.
42. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоиздат, 1996. 238 с.
43. Лавров Б. П., Мельников А.С. // Оптика и спектр., 1995, Т. 79. С. 922-928.
44. Грим Г. Спектроскопия плазмы. -М.: 1969. 451 с.
45. Диагностика плазмы по контурам спектральных линий: Межвуз. сборник. Петрозаводск, 1977. 208 с.