Экспериментальное исследование зависимости геометрии заготовки и глубины воздействия лазерного излучения

Аспирант

Камский государственный политехнический институт

Экспериментальное исследование зависимости геометрии заготовки и глубины воздействия лазерного излучения

Обработка, осуществляемая при помощи лазерного оборудования, является одним из высокоэффективных методов. Внедрение автоматизированных систем управления лазерными технологическими комплексами позволяет улучшить получаемые показатели качества , что повышает эффективность применения лазерных технологий в машиностроении. Однако процесс внедрения сдерживается несовершенством модели описывающей лазерную обработку и поэтому, создание адекватной модели позволит с большой точностью прогнозировать получаемые характеристики. В существующих системах управления для получения требуемых параметров качества и стабилизации процесса обработки используется модель, в которой не учитываются особенности взаимодействия лазерного излучения с материалом.

Процесс распространения теплоты мощного быстродвижущегося источника теплоты можно описать следующим уравнением [1]:

,

(1)

где t-время отсчитываемое от момента, когда центр распределенного источника пересекает плоскость (рис.1),

-координаты рассматриваемой точки A, лежащей в плоскости ,

q - тепловая мощность,

t0- постоянная времени,

a - коэффициент температуро-проводности,

- коэффициент теплоемкости.

Рис 1. Мощный быстродвижущийся источник на поверхности полубесконечного тела.

Рассмотренная модель (1) может быть использована для расчета температур при действии на поверхности тела любого источника нагрева с произвольным распределением плотности потока.

Было замечено, что во время обработки деталей вблизи места вы­хода лазерного луча за пределы заготовки дорожка, образованная в результате проплава основного материала, расширяется, что в свою очередь может привести к появлению неисправимого брака. Особенно это заметно на плоских заготовках и листовом материале. На данный момент эта проблема решается снижением скорости движения луча, но при этом возможны ошибки при определении нужного значения скорости или места, с которого идет уменьшение скорости, либо введением обратной связи по температуре.

На наш взгляд, это является следствием, накопления тепла за счет разницы теплопроводности между материалом и средой. Для проверки этой гипотезы были проведен эксперимент. На пластину из стали45 размером 50ммX50мм и толщиной 3 мм было нанесено при помощи технологического CO2 лазера ХЕБР-1А 3 дорожки при одинаковых режимах обработки, но на разных расстояниях от граней (рис.2), после обработки каждой дорожки образец охлаждался до комнатной температуры. Направление движения луча показано стрелкой.

Рис.2. Схема расположения дорожек и сечения микрошлифов.

По результатам эксперимента видно, что в начале дорожки происходит накопление тепла, в середине тепло распределилось по объему образца, поэтому глубина воздействия лазерного луча тоже уменьшилась. На выходе тепловая картина снова меняется. Различные значения глубины воздействия луча между входом и выходом можно объяснить общим нагревом заготовки и если этот нагрев на дорожки №2 и №3 почти не сказался, то на дорожке №1 разница существенна. Фотографии микрошлифов дорожки №1 приведены на фото. 1-3

Фото.1. Торец дорожки №1,вход

Фото.2. Поперечное сечение дорожки №1

Фото.3. Торец дорожки №1, выход

Данные результатов измерений приведены в табл.1.

Таблица1.

№ дорожки	Место контроля	Глубина проплава, мм
1	Вход	0,20
1	Середина	0,12
1	Выход	0,36
2	Вход	0,22
2	Середина	0,20
2	Выход	0,24
3	Вход	0,22
3	Середина	0,14
3	Выход	0,24

Исходя из полученных данных, можно говорить, что геометрия заготовки оказывает влияние на состояние теплового поля, которое в свою очередь влияет на характеристики, получаемые при обработке и поэтому в существующую модель (1) нужно ввести коэффициент K, который будет учитывать геометрию заготовки:

Для выяснения численных значений коэффициента нужно провести ряд экспериментов и микроструктурный анализ вдоль всей дорожки на заготовках с различными размерами и формой, и нахождения зависимости между геометрией заготовки и глубины воздействия.

Коэффициент K учитывающий геометрию детали, позволяет более точно прогнозировать ситуацию в зоне обработке, что в свою очередь приводит к стабилизации параметров, влияющих на качество изготовляемой продукции на лазерном оборудовании.

Литература:

1. Методы поверхностной лазерной обраблтки: Учеб. пособие для вузов /, ; Под. ред. . – М.: Высш. шк., 1987.

2. Введение в физику лазеров, перевод с англ. под ред. , Издательство наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978 г.