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.
