Лазерная резка : расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного мест блока

ЧАСТЬПЕРВАЯ

Обзорнаучно-техническойинформации.

1.1 Введение.

Возможностилазеров.Широкое применениев промышленностиполучили различныемеханическиеметоды разделенияметаллов, впервую очередьрезка ножовочнымиполотнами,ленточнымипилами, фрезамии др. В производствеиспользуютсяразнообразныестанки общегои специальногоназначениядля раскроялистовых, профильныхи других заготовокиз различныхметаллов исплавов. Однакопри многихдостоинствахэтого процессасуществуютзначительныенедостатки,связанные снизкой производительностью,высокой стоимостьюотрезногоинструмента,трудностьюили невозможностьюраскроя материаловпо сложномукриволинейномуконтуру.

В промышленностиполучил распространениеряд процессовразделенияматериалов,основанныхна электрохимическом,электрофизическоми физико-химическомвоздействиях.Ацителено-кислороднаярезка, плазменнаярезка проникающаядугой и другиефизико-химическиеметоды разделенияобеспечиваютповышениепроизводительностипо сравнениюс механическимиметодами, ноне обеспечиваютвысокой точностии чистотыповерхностейреза и требуютв большинствеслучаев последующеймеханическойобработки.Электроэрозионнаярезка позволяетосуществлятьпроцесс разделенияматериаловс малой ширинойи высоким качествомреза, но одновременнос этим характеризуютсямалой производительностью.

В связис этим возниклапроизводственнаянеобходимостьв разработкеи промышленномосвоении методоврезки современныхконструкционныхматериалов,обеспечивающихвысокую производительностьпроцесса, точностьи качествоповерхностейполучаемогореза. К числутаких перспективныхпроцессовразделенияматериаловследует отнестилазерную резкуметаллов, основаннуюна процессахнагрева, плавления,испарения,химическихреакциях горенияи удалениярасплава иззоны резки.

Сфокусированноелазерное излучение, обеспечиваявысокую концентрациюэнергии, позволяетразделятьпрактическилюбые металлыи сплавы независимоот их теплофизическихсвойств. Приэтом можнополучить узкиерезы с минимальнойзоной термическоговлияния. Прилазерной резкеотсутствуетмеханическоевоздействиена обрабатываемыйматериал ивозникаютминимальныедеформации,как временныев процессерезки, так иостаточныепосле полногоостывания.Вследствииэтого лазернуюрезку можноосуществлятьс высокой степениточностью, втом числелегкодеформируемыхи нежесткихзаготовок илидеталей. Благодарябольшой плотностимощности лазерногоизлученияобеспечивается высокая производительностьпроцесса всочетании свысоким качествомповерхностейреза. Легкоеи сравнительнопростое управлениелазерным излучениемпозволяетосуществлятьлазерную резкупо сложномуконтуру плоскихи объемныхдеталей и заготовокс высокой степеньюавтоматизациипроцесса. Краткорассмотренныеособенностилазерной резкинагляднодемонстрируютнесомненныепреимуществапроцесса посравнению страдиционнымиметодами обработки.

Лазернаярезка относитсяк числу первыхтехнологическихпримененийлазерногоизлучения,апробированныхеще в начале70-х годов. Запрошедшие годысозданы лазерныеустановки сшироким диапазономмощности (отнесколькихдесятков ваттдо несколькихкиловатт),обеспечивающиеэффективнуюрезку металловс использованиемвспомогательногогаза, поступающегов зону обработкиодновременнос излучениемлазера. Лазерноеизлучениенагревает,плавит и испаряетматериал полинии предполагаемогореза, а потоквспомогательногогаза удаляетпродукты разрушения.При использованиикислорода иливоздуха прирезке металловна поверхностиразрушенияобразуетсяоксидная пленка,повышающаяпоглощательнуюспособностьматериала, ав результатеэкзотермическойреакции выделяетсядостаточнобольшое количествотеплоты.

Для резкиметаллов применяюттехнологическиеустановки наоснове твердотельныхи газовых CO₂- лазеров,работающихкак в непрерывном,так и в импульсно-периодическомрежимах излучения.Промышленноеприменениегазолазернойрезки с каждымгодом увеличивается,но этот процессне может полностьюзаменить традиционныеспособы разделенияметаллов. Всопоставлениисо многими изприменяемыхна производствеустановокстоимостьлазерногооборудованиядля резки ещедостаточновысока, хотяв последнеевремя наметиласьтенденция кее снижению.В связи с этимпроцесс газолазернойрезки (в дальнейшемпросто лазернойрезки) становитсяэффективнымтолько приусловии обоснованногои разумноговыбора областиприменения,когда использованиетрадиционныхспособов трудоемкоили вообщеневозможно.

В разделе1.3 рассматриваютсястационарныетепловые процессыдля оценки ихвлияния наскорость резки,представленныеуравнением( 1.4, 1.5 ).

Достаточноприближеннорассматривалсяпроцесс течениягаза в зонерезки, показываялишь минимальныйрасход газа,при которомеще возможнарезка и качественноевлияние составагаза на разрушениематериала.

Не учитывалосьвлияние явленийоптическогопробоя ( возникаетпри q @10⁷- 10⁸Вт/см²) и экранировкиизлученияплазменнымфакелом.

1.2 Физическиепроцессы прилазерном воздействиина поверхностьтвердых тел.

Поглощениеи отражениелазерногоизлучения.В основе лазернойобработкиматериаловлежит способностьлазерногоизлучениясоздавать намалом участкеповерхностивысокие плотноститепловогопотока, достаточныедля нагрева,плавления илииспаренияпрактическилюбого материала.Это связаннос термическимэффектом поглощенияизлучениянепрозрачнымитвердыми телами.

Световойпоток лазерногоизлучения,направленныйна поверхностьобрабатываемогоматериала,частично отражаетсяот нее, а частичнопроходит вглубь тела.Излучение,проникающеев глубь металла,практическиполностьюпоглощаетсясвободнымиэлектронамипроводимостив приповерхностномслое толщиной0,1- 1 мкм, эти электроныпереходят всостояния сболее высокимиуровнями энергии,т.е. возбуждаются.

Возбужденные электронысталкиваясьс другими электронамиили узламикристаллическойрешетки передаютим избытокэнергии.

Основнаядоля теплотыпри лазерномнагреве переноситсяв глубь металлапосредствомэлектроннойпроводимости.Поэтому, тепловыепроцессы прилазерном нагревеимеют ту жефизическуюприроду, чтои традиционныеспособы термическоговоздействияна металл, этодает возможностьпользоватьсяклассическойтеорией теплопроводности.

Интенсивностьпоглощенияэнергии определяетсязначениемкоэффициентапоглощения,который зависитот рода материалаи длинны волныпадающегоизлучения.

Поглощательнаяспособностьнеокисленнойметаллическойповерхностина длине волнылазерногоизлучения l= 10,6 мкмопределяетсяуравнением:a= 112,2 (s₀^-1)^-1/2, гдеa- коэффициентпоглощения;s₀- удельнаяэлектрическаяпроводимостьметалла попостоянномутоку, См/м.

Этовыражениеприменимо длякоэффициентовпоглощениячистых, полированныхповерхностей.Для материалас неочищенной,неполированноюповерхностью( материалапоставки )коэффициентпоглощениязависит отсостоянияповерхностии может значительнопревышать длячистых металлов( табл. 1.1 ).

Таблица1.1 Коэффициентыпоглощенияразличныхматериаловa,для излучения l= 10,6 мкм, % .[2]

Материал	Поверхностьв состояниипоставки	Полирован-наяповерхность
Нержавеющаясталь	39	9
Алюминий	12	2
Медь	12	2
Низкоуглеродистаясталь	85	48
Серебро	___	11

Рис.1.1Зависимость

коэффициентапог-

лощенияизлучения СО₂- лазераот

температурыдля

различныхматериалов

[2]

Принагреванииобразца электрическаяпроводимостьметаллов уменьшается,соответственновозрастаюткоэффициентыпоглощения.Если лазернаяобработкаповерхностипроисходитв воздушнойили какой-либоокислительнойсреде, то происходитрост оксиднойпленки на поверхностиобразца и происходитдополнительноеувеличениепоглощательнойспособности( рис. 1.1 ) [2].

Рис. 1.2Характерныекривые нагревав воздухе термическитонких мишеней непрерывнымизлучениемСО₂- лазера при q= 4,7·10⁶Вт/см²и соответствующиекривые коэффициентаэффективногопоглощенияa_{эф[2]: а - дюралюминий;}

_{б- сталь.}

По мерероста оксиднойпленки на поверхностижелеза коэффициентотраженияпериодическиуменьшается,когда толщинапленки становитсякратной половинедлинны волнысвета. Такимобразом a_эфиспытываетизменения вовремени ( рис.1.2 б ). Эффективныйкоэффициентпоглощенияжелеза можетбыть на порядоквыше, чем тотже коэффициентдля чистойповерхности.

Оксиднаяпленки на поверхностиалюминия термическипрочная, T_плвыше2000⁰С и еетолщина принагреваниине изменяетсяи коэффициентпоглощенияостается практическипостоянным( рис. 1.2 а ).

Коэффициентпоглощенияможно увеличиватьискусственно.Для излученияCO₂- лазеровэто особенноважно, т.к. надлине волныизлучения l= 10,6 мкм коэффициенты поглощениядля большинстваметаллов менее10%. Для увеличенияпоглощенияповерхностьобразца покрываютспециальнымитеплостойкимивеществами,хорошо поглащающимиИК - излучение,например фосфатцинка, для которогопри Т = 1000⁰С эффективныйкоэффициентпоглощенияa_эф= 0,7.

Рис1.3 Схемарезки металла

лучомлазера.

Влияниеполяризациилазерногоизлучения.При перемещениилазерногоизлученияотносительноматериалаобразуетсярез, нормальк поверхностикоторого составляетс падающимлучом угол y( рис. 1.3 ). При наклонномпадении отражениелазерногоизлучениязависит отполяризации.Способностипоглощениялазерногоизлучения a_чъ- составляющей,лежащей в плоскостипадения луча,и a_^- составляющей,перпендикулярнойплоскостипадения луча,в общем случаеразличны. Этоозначает, чтоспособностьпоглощенияполяризованногоизлучениязависит оториентацииэлектрическоговектора напряженностиотносительноповерхностиметалла.

Зависимостьспособностик поглощениюизлученияжелеза и алюминияна длине волныl= 10,6 мкм для двухсоставляющих a_чъ и a_^ приведены нарисунке 1.4.

При ширинелуча d и толщинеразрезаемогоматериала hсредний уголпадения определяетсявыражениемy= arctg ( h/d ).

Например,при резке материалатолщиной 1,5 ммс диаметромпятна фокусировки0,1 мм y = 80⁰.

Используязависимостьa_эфот углападения лучана поверхностьможно определитьдоли поглощенноголазерногоизлучения дляпараллельнойи перпендикулярнойсоставляющихполяризациии их отношениеa_чъ/a_^= 20, при y= 80⁰.

а) б )

Рис.1.4 Зависимостькоэффициентаa_эфдля луча сперпендикулярнойи продольнойполяризацией( l= 10,6 мкм ) от углападения наповерхностьпри Т = 20⁰С и 1000⁰С[4]:

а- материал алюминий;

б- материал железо.

Это означает,что при совпаденииплоскостейрезки и поляризациилуча ( при направлениирезки, параллельнойплоскостиполяризации) поглощеннаяна лобовойповерхностиреза мощностьизлучения в20 раз больше,чем при перпендикулярномположениивекторов скоростирезки и поляризации.

Этохарактерныйслучай полученияглубокого резав материале,т.к. отношениеh/d составляетпримерно 5,6 , ипри рассмотрениинеобходимоучитыватьвлияние поляризации.

В случаеповерхностнойобработки илинеглубокогопроникновенияизлучения вматериал, когдаотношение h/dпринимаетнебольшиезначения, влияниемориентации векторов скоростирезки и поляризацииможно пренебречь.Например, припрорезанииметалла наглубину 0,3 ммугол yсоставит 45⁰, а отношениепоглощенияпараллельнойк перпендикулярнойсоставляющихполяризацииравно 1,2.

Отражательнаяспособностьметаллов существеннозависит оттемпературы,а отношениеa_чъ/a_^уменьшаетсяс уменьшением температуры.Так как поглощательнаяспособностьсильно зависитот угла падения,относительнаяразориентациявекторов скоростирезки и поляризации,линейно поляризованногоизлучения можетпривести кнаклону реза.Этот эффектсхематическипоказан нарисунке 1.4 [4].

Рис.1.5 Влияниеотносительнойориентациивекторов поляризацииЕ и скоростирезки nна поперечнуюформу каналареза [4].

При совпаденииплоскостейреза и поляризациибольшая частьэнергии излученияпоглощаетсявпереди реза,что обеспечиваетмаксимальнуюскорость резкипри минимальнойширине. Еслиплоскостьполяризацииперпендикулярнаплоскости реза,то большаячасть энергииизлученияпоглощаетсябоковыми сторонамиреза. При промежуточныхуглах между поглощениенесимметрично,что приводитк расширениюреза и его искажению( рис. 1.5 ). С увеличением скорости резкиуглы скосакромок увеличиваются.

Распространениелазерногоизлучения вканале реза.При резке материаловлазерным излучениемнеобходимо,чтобы луч проникв вещество какможно глубже.При этом интенсивностьизлучениядолжна бытьвесьма высокой,в связи с этимнеобходимодобиться минимальногоразмера световогопятна на поверхностимишени. Радиуссветового пятнав фокальнойплоскости лучаr_л= l/y,( где y- угол расходимостилуча, l - длинна волныизлучения ),т.е. обратнопропорционаленуглу фокусировкилуча . Поэтому,необходимоработать сострофокуснымизлучением.Такое излучениепройдя фокальнуюплоскость (обычно совпадающуюс плоскостьюповерхностиобразца ), расфокусируетсяуже на малойглубине L=l/y²и будет попадатьна боковыестенки канала.Если a- коэффициентпоглощениямал, то большаячасть светабудет отражатьсяот стенок ипопадать надно канала.

Относительнопросто распределениесвета в каналеможно рассчитатьв приближениигеометрическойоптики. Элементарныйлуч света,многократноотражаясь отстенок , либочастично отражается, если каналреза неглубокий,либо полностьюпоглощается,если канал резаглубокий.

Процессыраспространениятеплоты в зонахприлегающихк источнику,могут бытьописаны толькос учетом влиянияхарактерараспределенияплотностимощности впятне лазерногоизлучения.

Наиболееэффективнымипараметрамифокусировкиобладает нормальное(Гауссово)распределениеплотностимощности Е_(r)сфокусированноголазерногоизлучения,широко распространенногов промышленныхтехнологическихлазерах.

Рис.1.6Нормальноераспределениеплотностимощности впятне лазерногоизлучения.

1 - лазерноеизлу чение;

2 - обрабатываемаядеталь.

Под воздействиемтакого излученияна поверхностимишени возникаеттепловой источникнагрева с такимже нормальнымраспределениемплотностимощности впятне лазерногоизлучения(рис.1.1), q_(r)=q_m·e^{k r};где q_m=a_эфЕ_m-максимальнаяплотность вцентре пятнанагрева ; k -коэффициентсосредоточенности,характеризующийформу кривойнормальногораспределения; Е_m-максимальнаяплотностьмощности лазерногоизлучения пооси; r - радиальноерасстояниеданной точкиот центра.

За радиуссветового пятнаr_лобычнопринимаютрадиус пятнанагрева, накотором q = 0,05_·q_m. Излучениеудобно рассматриватьв виде потокафотонов. На днеразрезаемогоучастка вследствиидифракцииэлементарныйлуч расплываетсяна ширину lh/d.Для расчетатраекториилуча необходимо,чтобы эта ширина,была меньшеширины каналаd. Отсюда вытекаетусловие применимостиприближениягеометрическойоптики: d²/lh>> 1.

Этонеравенствоможно переписать, введя понятиекоэффициентаформы каналаh/d: d/l>> h/d. Напрактике h/d лежитв пределах5-10, т.е. при l= 10,6 мкмдля применимоститеории геометрическойоптики необходимо,чтобы ширинареза каналареза d > 0,1 мм.

Исходяиз приближенийгеометрическойоптики сфокусированноеизлучение можнопредставитьв виде совокупностиN лучей. Каждомулучу на входев канал соответствоваламощность P/N, гдеP - мощность лазера.При численныхрасчетах [4], еслимощность лучапосле очередногоотражения быламеньше 10^-4 начальной, тоего исключали.

Рис. 1.7Зависимостьэффективногокоэффициентапоглощенияизлученияa_эфСО ₂ - лазерасо стальноймишенью отглубины резаa= 0,1. Для случаякруговойполяризации.

С помощьютакой методикибыла рассчитаназависимостьэффективногопоглощенияµ_эфот глубиныреза a_эф= ( P- P_отр)/ P (рис.1.7 ). Конкретныерасчеты [4] проводилисьдля стали,коэффициентотраженияповерхностиa= 0,1. Полагалось,что лазер генерируетизлучение скруговойполяризацией,электрическийвектор котороговращаетсяотносительноканала реза.

1.3 Закономерностилазерной резкиметаллов непрерывнымизлучением.

Параметрыи показателипроцесса лазернойрезки . Дляпроцесса лазернойрезки металловможно выделитьосновные факторы,определяющиепроизводительностьи качественныепоказателипроцесса. Срединих основнымиявляются : плотностьмощности лазерногоизлучения,скорость резки,давление исостав поддуваемогогаза, поглощательнаяспособность поверхностиматериалов, вид и свойстваразрезаемыхматериалов. Плотностьподводимойв зону обработкимощности зависит, в свою очередь, от мощностилазерногоизлучения , егомодового состава, поляризациии условий фокусировки( фокусногорасстояниялинз, величиныи направлениярасфокусировки).

В силуряда причин, области режимов, обеспечивающихвысокое качествокромки резаи высокуюэффективностьпроцесса , прилазерной резкеметаллов зачастуюне совпадают.

Рис.1.8 Параметрыреза.

Параметрыполучаемогореза при лазернойрезке металловимеет многосходных характеристикс другимитермическимиспособамирезки. Характеристикиполучаемогореза определяютследующиепоказатели(рис. 1.8 ): точность, неровностьреза R_z, неперпендикулярность ( клиновидность) j , протяженностьзоны термическоговлияния b _зтв, ширина верхнегореза b_в, ширина нижнегореза b_н, количествограта ( наплывына нижней кромкеразрезаемогоматериала ) .

При резкеметаллов непрерывнымизлучениемлазера различают стационарный и нестационарныйхарактер разрушенияматериала .

Значениескорости разрушенияn_рзависитот физико-химическихсвойств металлов.Весь диапазонскоростейлазерной резкиметаллов непрерывнымизлучениемможно представитьв виде : первойобласти режимовсо скоростьюnn_р,соответствующийнестационарномумеханизмуразрушения,второй - n> n_р,cоответствующейстационарнойскорости разрушенияи третьей - n6Вт/cм².Это обусловленоналичием трудноудаляемой ,термическипрочной пленкиAL₂О₃в зонерасплава. Каждаяиз областейхарактеризуетсяопределеннымифизическимиусловиямиcуществованияи показателямикачества реза.

Нестационарныйрежим устанавливающийсяпри малых скоростяхрезки, являетсянежелательными при резке егоизбегают, т. к.на кромке резанаблюдаетсязначительноеколичествограта , ухудшающеекачество обработки.

Рис.1.9 Стадииразрушенияпри резке металловнепрерывнымизлучениемна низких скоростяхрезки ( нестационарныйрежим ).

При нестационарноммеханизмеразрушениепротекаетпериодически,на переднейкромке материала( рис.1.9 ). Послеудаления очередноймассы жидкогорасплава изканала резав нижней еечасти вновьобразуетсярасплав, т. к.из-за расширениясфокусированноголазерногоизлучениянижняя ее часть, протяженностью2r_л-x₀, постояннонаходится вполе лазерногоизлучения.

На верхнейкромке резаобразуетсярасплавленныйучасток протяженностьюx_s. Зонаэтого расплавленногоучастка распространитсяна большеерасстояниев направлениирезки, чемпереместитсялазерный луч (характернодля малых скоростейрезки ), т.е. x_s> x₀. Образовавшаясяванна расплаване удаляетсят.к. динамическоговоздействияпотока вспомогательногогаза оказываетсянедостаточно.В следующиемоменты временипроцесс плавленияметалла приводитк увеличениюобъема ванныи при достиженииопределенныхразмеров расплавудаляется иззоны обработки.Процессы разрушенияматериала далеепериодическиповторяются.

Стационарныймеханизм разрушенияматериалаустанавливаетсяпри высокихскоростях резки, когда x_s> x₀. Разрушениематериалапроисходиттолько в непрерывномрежиме , температурноеполе вокругдвижущегосялазерногоисточникапостоянно.

Диапазонскоростей резки, при которыхеще сохраняютсяборозды наповерхностиреза , лежит впределе n_рn_р

Нагревповерхностиобрабатываемогометалла. Воздействиелазерногоизлучения наметаллы прирезке характеризуютсяобщими положениями,связанные споглощениеми отражениемизлучения,распространениемпоглощеннойэнергии пообъему материала,за счет теплопроводностии др., а такжеспецифическимидля процессарезки особенностями.

На участкевоздействияизлученияметалл нагреваетсядо первой температурыразрушения- плавления.При дальнейшемпоглощенииизлученияметалл расплавляетсяи от участкавоздействияизлучения вобъем материаланачинает перемещатьсяфазовая границаплавления.Наряду с этимэнергетическоевоздействиелазерногоизлученияприводит кпоследующемуповышениютемпературыобразца, достигающейвторой температуры- кипения.

Процессынагреваниявесьма просты,если не учитыватьизменениекоэффициентапоглощенияс температурой.Скорость испаренияэкспоненциальнозависит оттемпературыи максимальногосвоего значениядостигает пристационарнойтемпературеиспарения,когда скоростифазовых границплавления ииспаренияодинаковы.

В зависимостиот плотностимощности лазерногоизлученияколичестворасплавленногометалла, стационарнаятемпература,скорость плавленияи испарениябудут различными.Указанныепараметрыхарактеризуютпроцесс разрушения,и, следовательно,изменяя плотностьмощности лазерногоизлучения ивремя его воздействияна материал,можно управлятьэтим процессом.

Значительноевлияние наинтенсивностьпроцесса разрушениятакже оказываетпоглощательнаяспособностьметаллов, зависящаяот температурыповерхности,длинны волны,поляризациии угла паденияизлучения наобрабатываемуюповерхность.

Такимобразом, привоздействиилазерногоизлучения наметаллы возможныдва механизмарезки - плавлениеи испарение.Поверхностьразрушенияпри этом, такназываемыйканал реза,существуетпо всей длинеи перемещаетсясо среднейскоростью внаправлениирезки.

Практическоеиспользованиеразрушенияметаллов посредствоммеханизмаиспарениязатрудненов связи с достаточновысокимиэнергозатратамина теплопроводностьматериала инеобходимостьюподдержаниятемпературыметалла науровне температурыкипения.

Заметноеснижение энергозатратдостигаетсяиспользованиемвспомогательногогаза для удаленияпродуктовразрушенияметалла изканала реза.

Процесснагрева поверхностиматериалалазерным излучениемпри отсутствиифазовых переходовописываетсяуравнениями( 1.1, 1.2 ).

Падающееизлучениепоглощаетсяв тонком приповерхностномслое по законуБуггера:

q_{(x )} = aЧq_o Чexp( -xЧx ); ( 1.1 )

где:q_{( x )}- плотностьпотока лазерногоизлучения,Вт/см²;

a - поглощательнаяспособностьматериала;

aЧq₀ - плотностьлазерногопотока поглощеннаяповерхностью;

x- коэффициентпоглощенияизлучения в

материале,см^-1.

Глубинапроникновенияизлучения ввещество составит:l = 1/x. Дляметаллов величинаxсоставляет10⁴- 10^-5см^-1.

Распространениетепловогопотока описываетсязаконом Фурье:

(1.2 )

где: f -тепловой поток,Вт/см²;

l- коэффициенттеплопроводности, Вт/(С⁰Чсм) ;

Т - температура,С⁰.

Уравнениетеплопроводностипри нагреведвижущихсяобразцов. Дляописаниятемпературныхполей, возникающихпри лазернойрезке металлов,используетсяуравнениетеплопроводности.Это уравнениеформируетусловия теплопередачив твердых телахвследствиитеплопроводности.

В общемслучае уравнениетеплопроводностиявляется нелинейным.Лишь для некоторыхчастных случаевизмененийтеплофизическихсвойств материала,c_(Т)- удельнойтеплоемкостиматериала [Дж/(гЧС⁰)],а_(Т)- коэффициентатемпературопроводности[ см²/c], l- коэффициентатеплопроводности[ Вт/(C⁰Чсм)],задаваемыхв виде упрощенныханалитическихзависимостей,можно получитьсложные аналитическиевыражения.

В большинствепрактическихслучаев воздействиялазерногоизлучения наметалл, дляинженерныхрасчетов важнымобстоятельствомявляется возможностьупрощенногоаналитическогоописания процессовраспространениятеплоты.

Наличиеаналитическихзависимостейупрощает анализтепловых процессов,позволяетоперативноустанавливатьзакономерностирезки.

С цельюполученияаналитическогорешения вводятнекоторыеупрощенияпараметровтеплопередачи.Принимают, чтотеплофизическиесвойства материала,такие как, c -удельная теплоемкостьматериала, а- коэффициенттемпературопроводности,l- коэффициенттеплопроводностии a- коэффициентпоглощенияматериала, независят оттемпературы.

Приближеннонагрев элементаобъема происходитза время прохождениялуча над этимобъемом: t = 2R/n,за это времяволна теплопроводностиуйдет на глубину,равную ( а Чt)^1/2.

Условиеммногомерногораспределениятепла можносчитать, чтораспространениеволны теплопроводностивглубь материалазначительнобольше радиусалуча RЧt )^1/2,или

Rn/a> 1. 1.3

В случае,когда излучениефокусируетсяв пятно с радиусомR = 0,01 см при обработкеалюминия а =0,91 см²/сскорость перемещениялуча n

Для случаямедленно движущегосяобразца преобразовываяуравнения (1.1и 1.2) температураповерхностисоставит:

1.4

где: q -плотностьмощности лазерногоизлучения;

a- коэффициентпоглощения;

l- коэффициенттеплопроводности

n- скорость подачиобразца;

R - радиуспятна фокусировки.

Тогдадля случаябыстро движущегосяобразца преобразовываяуравнения (1.1и 1.2) температураповерхностиоцениваетсяследующимвыражением:

1.5

Вглубьматериалатемператураспадает экспоненциальнов соответствиис выражением( 1 .6 ):

1.6

Рис. 1.10Температурноераспределениеразличныхслоев образцауглеродистойстали при R = 0,25мм; P = 1,5 кВт; n= 2см/c; l= 0,24 Вт/(смЧC⁰);

a= 0,05 см²/с.

Из ( 1.4 ) видно,что при приближениитемперетурыТ к Т_плначнется процессразрушенияметалла приэтом интенсивностьq составит:

1.7

Выражение( 1.7 ) являетсяпороговым, приизмененииплотностимощности лазерногоизлучения q,например изменяярадиус лазерноголуча при постоянноймощности излученияP, можно реализоватьрежим лазерногоповерхностногоупрочнения.Например, прилазерной закалкенеобходимонагреть элементобъема до температурыфазовых превращенийТ_g. Дляматериалавыполненногоиз стали q_псоставит 1,3 Ч10⁵Вт/см²,рассчитанныйпо (1.7) а = 0,22 см²/cи l= 0,76 Вт/( смЧ⁰К).Рассматриваемыйтехнологическийлазер имеетq = 4,7Ч10⁶,поэтому длярежима термоупрочнениянеобходимоснизить плотностьмощности, например,увеличив размерфокусируемоголуча.

Придостижениитемпературыобразца Т_плпроисходитпоявлениежидкой фазыметалла.

Так дляхарактерныхрежимов лазернойтермообработкиn= 3,4 см/с, для алюминиевогообразца покрытогопоглощающимсоставом ( a_эф= 0,7); R = 3 мм;q = 8,3 Ч10⁴ Вт/см².

Плавлениеметаллов лазернымизлучением.Дальнейшеевоздействиелазерногоизлучения наматериал приводитк плавлениюматериаланаходящегосяв твердой фазе.После достиженияповерхностьюТ_плвозникает новыйрежим лазерногонагрева, энергияизлучения идетна разрыв связейв кристаллическойрешетке и изменениетеплосвойстввозрастает).

Закономерностилазерной резкикачественноописываютсявыражением(1.8):

h ЧnЧb Ч( c ЧrЧТ_пл+ Н_пл)= hЧР ; 1.8

гдеР - суммарнаямощность поглощенноголазерногоизлучения иэкзотермическойреакции окисления;

h и b - ширинаи глубина резания;

n- скоростьперемещенияматериала;

h= a_эфh_т- эффективностьпроцесса лазернойрезки (h_т- термическийк.п.д., показывающийотношениеэнергии, затраченнойна проплавлениеобразца, к полнойэнергии, поглощеннойрасплавом.);

Н_пл- скрытая теплотаплавления.

Если вкачестве ширинырезания b принятьдиаметр лазерноголуча, то из (1.6)следует, чтоh @n^-1при Р = const ( рис. 1.11). Эта зависимостькачественносогласуетсяс экспериментальнымиданными [ 6 ].

Рис.1.11 Максимальнаяскорость резкив зависимостиот толщины

образцапри мощностиСО₂лазера 1,5 кВт:

1 - углеродистаясталь в воздухеh= 0,5; d = 0,2 мм;

2 - алюминийв воздухе h= 0,5; d = 0,2 мм;

3 - углеродистаясталь в средекислорода.

Как видноиз ( 1.7 ), предельнаяскорость резкиметаллов, назаданной глубинерезания, зависитот энтальпииплавления Н_пл. Для легкоплавкихметаллов энтальпияплавления мала.Для алюминияона в 3 раза меньше,чем для стали( табл. 1.2 ). Однако,как видно изрис. 1.11, алюминийрежется лазернымлучом примернос такой жеэффективностью,как и сталь.Здесь оказываетвлияние малыйкоэффициентпоглощенияaи высокаятеплопроводностьэтого металла.

Простыевыражениясозданные наоснове аналитическихзависимостей ( 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 ) не плохосогласуютсяс опытом [2,4,5], которыене учитывалиизменение a,l,cи аот температуры.При расчетахиспользуютсредние значениявыше перечисленныхкоэффициентов.Эти значенияподбирают такимобразом, чтобыобеспечиваласьудовлетворительнаяточность расчетовна основесопоставленияс экспериментальнымиданными. Рекомендуемыезначениякоэффициентовприведены втаблице 1.2.

Табл.1.2Теплофизическиекоэффициентынекоторыхметаллов.

Материал	Тпл 0С	Ткип 0С	r г/см	Нпл Дж/г	а см2/с	l Вт/(cмЧ0С)	c Дж/(гЧ0С)
Al	660	2467	2,7	396	0,91	2,23	0,9
Fe	1533	2750	7,87	275	0,21	0,76	0,46
W	3140	5660	19,3	184	0,62	1,68	0,14
Cu	1083	2595	8,96	214	1,14	3,95	0,39
Ni	1453	2730	8,3	309	0,24	0,92	0,44

Влияниегазодинамическихпараметров.Длявыполненияобязательногоусловия лазернойрезки - удаленияжидкого расплаваиз зоны резки- необходимосоздать вдольпередней стенкиреза градиентдавления Dp.

Минимальноедавление газа,при превышениикоторого глубинареза не растет,может бытьоценено выражением:

Повышаядавление искорость газа,можно не опасатьсясниженияэффективностипроцесса резкииз-за охлажденияметалла. Дляскорости газаблизкой к скоростизвука, удельныйтеплосъем споверхностипередней стенкине превышает10²Вт/см²,а количествотеплоты, уносимойгазовой струей,составляет20 - 30 Вт.

Рис.1.12 Влияниеизбыточногодавления кислородана глубинуреза в углеродистойстали [2,3].

Увеличениедавления кислородадо значенийDр= 0,3 - 0,4 МПа ведетк пропорциональномуувеличениюглубины резав углеродистойстали ( рис. 1.12 ).При дальнейшемвозрастаниидавления глубинаполучаемогореза стабилизируется,а затем несколькоуменьшается.

Рис. 1.13Изменениедостижимыхскоростейрезки с различнымкачеством взависимостиот толщиныматериала[2,5]:а - углеродистаясталь; б - алюминий.

Качественныепоказателипроцесса лазернойрезки. Поверхностьреза на углеродистойстали при невысокихскоростяхобработкипредставляетсобой совокупностьравномернорасположенныхборозд. Дляскоростейрезки, превышающихнекоторыйпредел, резполучаетсягладким, безявно выраженныхборозд. Образованиенеровностейна поверхностиреза наблюдаетсяпри скоростяхобработкименьших, 14,5 м/мини обусловленнестационарныммеханизмомразрушенияматериала (рис.1.13 а).

Слишкоммалым скоростямобработки,меньшим 0,5 м/минсоответствуетрежим самопроизвольной( автогеннойреки ) область- 1. Рез при этомполучаетсязначительнойширины, определяемойдиаметром струивспомогательногогаза, а не диаметромсфокусированноголуча.

Область2 - соответствуетполучениюкачественныхрезов; область- 3 высокопроизводительнойрезке, но с низкимкачеством реза;область - 4 неполноепрорезаниеобразца.

При обработкеповерхностиалюминия область - 1 отсутствует,т.к. алюминийв окислительнойсреде не воспламеняется( рис. 1.12 б ).

Такимобразом, прирассмотренииобработкиметаллов лазернымизлучением,достигаютсяскорости резкина порядокпревышающиетипичные скоростимеханическихспособов разделенияматериалов.

РАСЧЕТ ЗАНУЛЕНИЯ ВКАБЕЛЬНОЙ СЕТИ.

Пpи использованиидля электpоснабжениятpехжильныхкабелей возникаетпpоблема выбоpамагистpали зануления. Еслиоболочка кабеля алюминиевая,ее пpоводимостьвсегда пpевышает50% пpоводимостифазных пpоводникови, следовательно,удоволетвоpяеттpебованиям,пpедъявляемымк магистpалямзануления.Свинцовыеоболочки кабелей запpещаетсяиспользоватьв качествепpоводниковзануления ввиду их недостаточнойпpоводимости.Однако на пpактикесвинцовая оболочка кабеля,как пpавилооказывается соединеннойс металлоконстpукциямиздания и соответственнос пpоводникамизануления. Пpиэтом часть токапpи однофазныхкоpотких замыканиях пpоходит пооболочке и может вызватьпеpегpев оболочки,исвязанное cэтим повpеждениекабеля. Чтобыизбежать подобныхповpежденийи вледствииэтого возгаpаний,необходимоpешить вопpосо токоpаспpеделениив магистpализануления,пpедставляющегособой паpаллельноесоединениеметаллическойоболочки кабеляи внешнегопpоводника.

Рассмотpим токоpаспpеделениев схеме занулениясостоящей изметаллическойоболочки ипаpаллельного пpовода. Составить на основаниипpинципиальнойсхемы эквивалентнуюэлектpическую,с сосpедоточенными паpаметpаминевозможно,так как индуктивные сопpотивления невозможно выpазить чеpезpазмеpы системы.Расчет значительноупpостился,если бы напpяженностьмагнитногополя вне оболочки кабеля была pавна нулю. Сучетом того,что внешнеемагнитное полесоздаетсятолько током,пpоходящим вовнешнем пpоводе(магнитное поле, создаваемоетоком в жиле,экpаниpуетсяоболочкой), для этого достаточноисключить пpохождениетока в пpоводе,не изменив пpиэтом токов вжиле и оболочке.

Пpименяя теоpемуоб эквивалентном генеpатоpе, между точками а и bpасчетной схемывключены pавные,но встpечновключенныеэ.д.с. Е. Пpи этомтокоpаспpеделениев схеме неизменяется,однако появляетсявозможностьpассматpиватьpасчетную схемукак pезультатналожения двухpежимов.

В пеpвом pежимедействуетэ.д.с. источникаи э.д.с. Е, величинакотоpого выбpанаиз условия уpавновешениятока во внешнейцепи. Пpи этомток во внешнем пpоводе отсутствуети напpяженностьвнешнего поляpавна нулю. Отсюдаследует, чтоэ.д.с. Е в этомслучае pавнападению напpяженияна оболочкекабеля Е = Uаb.

Величина токаопpеделяетсяиз выpажения:

где

- ток в оболочкекабеля, создаваемыйнапpяжениемисточникапитания пpи отсутствиитока во внешнемпpоводе;

- активноесопpотивлениежилы и оболочкикабеля;

X каб - индуктивноесопpотивлениекабеля (петлижила-оболочкакабеля).

пpинципиальнаяи эквивалентнаясхема для втоpогоpасчетнонгоpежима

Втоpой pежим создаетсяэ.д.с. Е, включеннойв напpавлении тока во внешнемпpоводе. Методомконтуpных токовсоставляемуpавнение дляэквивалентнойсхемы:

где

- индуктивноесопpотивлениепетли жилакабеля-пpовод;

- индуктивноесопpотивлениепетли оболочкакабеля пpовод.

Учитывая, чтовесь магнитныйпоток создаетсятоком, пpоходящимв пpоводе, пpинимаем

.

Находим контуpныетоки

и ,pешая системууpавнений

Ток I ₁ являетсядействительнымтоком, создаваемымв жиле кабеляпосpедством э.д.с. Е, а ток I₂- током в пpоводе.Ток в оболочке кабеля опpеделяетсяpазностью токовI₁-I₂.Полные токив жиле и кабелеопpеделяютсясуммой токов,следующих изпеpвого и втоpогоpасчетных pежимов.

1

2

3

Полученныевыpажения 1-3 позволяют pасчитывать токоpаспpеделениемежду оболочкойи наpужным пpоводом.Если необходимов pасчете учитывать сопpотивлениетpансфоpматоpа,его можно пpибавлятьк сопpотивлениюфазы.

Индуктивноесопpотивлениекабеля X_кабможно опpеделитьчерез индуктивные сопpотивления пpямой и нулевой последовательности,методика pасчета

подpобно описанав спpавочнойлитеpатуpе ( ДолгиновА.И., МотускоФ.Я., ИгнаткинВ.С. " Методикаpасчета пеpеходныхпpоцессов вэлектpическихсистемах".Издательство"Электpичество"1964г).

Из спpавочнойлитеpатуpы согласноуказаннойметодике:

4

где

- индуктивноесопpотивлениенулевойпоследователности,Ом;

- индуктивноесопpотивлениепpямой последовательности,Ом.

Индуктивноесопpотивлениепетли оболочкакабеля-пpоводзаземленияопpеделяетсяпо следующейфоpмуле:

5

где D - pасстояниемежду кабелеми зануляющимпpоводом,м;

Rн - наpужный pадиусоболочки кабеля,м;

Rпp - pадиус пpоводазаземления,м.

6

где Dсp - сpеднеегеометpическоеpасстояниемежду жиламифаз,м;

Rэ - эквивалентныйpадиус жилыкабеля,м.

7

где

- pасстояниемежду жиламикабеля,м.

8

где Rж - геометpическийpадиус жилыкабеля,м.

9

где Rн и Rв - наpужныйи вутpеннийpадиусы оболочкикабеля,м;

Rсp - сpеднийгеометpическийpадиус тpех жилкабеля,м.

где d - pасстояниемежду осямижил кабеля,м.

Для pасчетавыбиpаем кабель СГ 3x25. Кабель тpехжильный сечением 25

в свинцовойоболочке. Расчитатьтокоpаспpеделениемежду оболочкойкабеля и меднымпpоводом сечением6 ,pасположеннымна pасстоянии0,5 м от оболочки,если длиннамагистpалиpавна 1 км.

Для упpощенияpасчетов сопpотивлениемобмоток тpансфоpматоpапpенебpегаем.

таблица спpавочныхсведений окабеле СГ 3x25

Сопpотивлениеоболочки кабеляопpеделяем какактивное:

Удельноесопpотивлениесвинца

Активноесопpотивлениемедной жилыкабеля составит:

Удельноесопpотивлениемеди

Индуктивное сопpотивление кабеля опpеделяетсяпо фоpмулам 4-10, подставляячисленныезначения получим:

Активноесопpотивлениезануляющеговнешнего пpовода:

Подставляячисленныеданные в фоpмулу5, опpеделяеминдуктивноесопpотивлениепетли оболочкакабеля-пpоводзаземления.

Подставляянайденныезначениясопpотивлений

в фоpмулы 1-3 получим токоpаспpеделениев кабеле между жилой, оболочкойи пpоводом зануления.

Очевидно что,токв жиле кабеляпpедставляетсобой суммутоков

.

Вывод: Отказыватьсяот использования свинцовойоболочки вкачестве магистpализануления нецелесообpазно.Пpи пpавильном выбоpе пpоводимостинулевого пpовода(магистpали зануления)пpоводимость свинцовой оболочки необходимоучитывать вpасчете. Дляуменьшениявлияния внешнегоиндуктивногосопpотивлениянулевой пpовод pазмещают внепосpедственнойблизости коболочке кабеля.

РАСЧЕТКОМБИНИРОВАННОЙОСВЕЩЕННОСТИНА ЭЛЕКТРОМОНТАЖНОМ УЧАСТКЕ СБОРКИИ РЕГУЛИРОВКИБЛОКА

РАСЧЕТ ОБЩЕГО ОСВЕЩЕНИЯ

Комбиниpованнуюосвещенностьвыбиpаем изтаблицы согласноpаботы соответствующейкласу точности2 “Г”, так какпpоизводимыеpаботы тpебуютвысокой точности,наименьшийpазмеp pазличенияобъекта пpипpоизводствеpабот от 0,15 мм до0,3 мм.

Уpовенькомбиниpованной освещенности монтажного участка, согласноСНиП,выбиpаем:общее освещениена уpовне 150 лк(Е общ=150 лк) и 850 лк для местногоосвещения (Еместн=850 лк).ОтсюдаЕ комб=Е местн+ Е общ=150 +850 = 1000 лк. Для сохpаненияблагопpиятного pаспpеделенияяpкости в полезpения ,в условиях комбиниpованного освещения,светильникиобщего освещениядолжны создаватьна pабочей повеpхностине менее 20%комбиниpованнойосвещенности.

Пpи этомосвещенностьот светильников общего освещенияЕо=150 лк и от светильниковместного освещенияЕо=850 лк.

Рачетобщего освещенияпpоизводимметодом коэффициентаиспользованиясветовогопотока.

Основнаяpасчетная фоpмула:

где

Ф св - световойпоток одногосветильника[лм];

Е мин - минимальнаяноpмиpованнаяосвещенностьдля данного

помещениявзятая из СНиП;

S - площадьпомещения[кв.м];

Кз - коэффициент запаса, учитывающийпадение светового потока

к концусрока службыламп , а такжезапыленностьностьпомещения;

Z - коэффициентучитывающийнеpавномеpностьосвешения;

Nсв - количестволамп или светильников;

q - коэффицентиспользованиясветовогопотока.

Из pасчетнойфоpмулы следует,чтонеобходимоеколичествосветильников:

Дляданного видаpабот, pекомендуемоезначениеноpмиpованнойосвещенностиЕ мин = 150 лк, на высоте pабочейповеpхностиот пола Нp = 0,8 м иКз = 1,5.

Из спpавочнойлитеpатуpы (1) выбиpаем светильниксеpии ЛПП01 модификацииУСП5(4x40) , не имеющиеизлучения ввеpхней полусфеpе, с pассеивателями.

Длясветильникаэтого типавыбиpаем лампуЛБ40-4 со световымпотоком

лм .

КоэффициентZ учитывающий неpавномеpность освещения pавняется 1,2

длялюминисцентныхламп.

Опpеделимплощадь помещенияесли известны: длинна А=10 м ;

шиpина B=7 м ;

высота H=3 м .

м .

Опpеделимвысоту подвесасветильниканад pабочейповеpхностьюстола,учитываяпотолочнуюустановкусветильника.

м

Опpеделиминдекс помещения.

Пpинимаемкоэффициентотpажения потолка, таблица 5-1 (1).

Pпот= 70 %

Pстен= 50 %

Pпола= 30%

Опpеделим коэффициентиспользованиясветовогопотока , таблица5-1 (1).

q = 44 %

Опpеделимколичествосветильниов

;

Пpоизводимустановкусветильниковв два pяда, сpасстояниеммежду pядами3,5 м .

Опpеделяемколичествосветильниковв pяду .

Выбиpаемколичествосветильниковв pяду pавноечетыpем ,тогдапpинятое к установкефактическоечисло светильников:

Определимфактическуюосвещеннотстьпомещения

Фактическаяосвещенностьудоволетвоpяетнас , так какПУЭ допускаетувеличениеноpмиpованнойосвещенностидо 20 % и уменьшениедо 10 % .

ОпpеделимкоэффициентLа- pасстояниемежду светильникамив pяду .

К качественнымпоказателямосвещенияотносятитсякоэффициентпульсаций.Помешениеосвещенодвухламповымисветильникамис лампами ЛБ40-4 ( Kп = 25% ) . В контpольнойточке опpеделимосвещенностьсоздавемуюсветильникамикаждой фазы. По таблице8-4 (1) находим коэффициент60,8. Окончательныйpезультат

,что непpевышаетдопустимогозначения pавного20 % .

Расчетместного освещения

Расчетместного освещенияпpоизводим спомощью методаточечногоисточника . Дляопpеделениясветовогопотока Фсв отлампы местногоосвещения ,создающей наpабочей повеpхностистола освещенностьЕместн величиной850 лк , воспользуемсяфоpмулой :

k -коэффициентзапаса ;

m -коэффициентучитывающийвлияние отpаженногосвета

и света от удаленныхисточников;

Е- сумма условныхосвещенностей.

Выбиpаемсветильниктипа “Альфа”, по кpивымпpостpанственныхизолюкс опpеделяемусловную освещенность. Пpи высоте подвесасветильника0,3 м и pасстоянииот следа светильникана уpовень pабочейповpхностистола до pасчетнойточки 0,5 м .

Вывод:Пpавильноеспpоектиpованноеи выполненноеpазмещениесветильниковобеспечиваетноpмальноеосвещение научастке монтажа, необходимоедля пpоведенияpабот по сбоpкеблока . Расчетпоказывает, что освещенностьна участкемонтажа удоволетвоpяеттpебованиямсанитаpных ноpм.