Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра «АТП»

Лабораторная работа №1

Импульсная лазерная обработка неподвижным точечным источником

Выполнил:

Студент гр. А-108

Литвинов И.С.

Принял:

Новикова Ю.А.

Владимир 2012

Введение

Описание процесса лазерного термического упрочнения

Одним из широко применяемых видов лазерной обработки металлов и сплавов является лазерное поверхностное упрочнение. Термическое упрочнение лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и охлаждения этого участка со сверхкритической скоростью после прекращения воздействия за счёт теплоотвода во внутренние слои металла.

В отличие от закалки токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и других известных процессов нагрев при лазерной закалке не является объёмным процессом, а осуществляется с поверхности. При этом не требуется применять какие либо охлаждающие среды. Это условие упрощает технологию термоупрочнения.

Лазерное термоупрочнения характеризуется малым временим воздействия и обеспечивает отсутствие деформаций деталей.

Тепловое воздействие при лазерном термоупрочнении регулируется в широких пределах за счёт изменения параметров лазерного излучения и режимов обработки. Это обеспечивает регулирование скоростей нагрева и охлаждения металла, времени пребывания металла при высоких температурах, что позволяет получать требуемую структуру поверхностного участка и соответствующие свойства.

Технологические возможности лазерного термоупрочнения позволяют использовать этот процесс в качестве заключительной операции без последующей механической обработки. Причём лазерное термоупрочнение отдельных участков можно проводить после сборки конструкции или узла машины.

Следует особо подчеркнуть возможность автоматизации процесса лазерного термоупрочнения. С учётом высокой производительности процесса операции лазерного термоупрочнения могут быть встроены в современное гибкое автоматизированное производство.

Таким образом, лазерное термоупрочнение представляет большую перспективу для современного машиностроения. Практическое использование лазерного термоупрочнения убедительно свидетелствует о его высокой конкурентоспособности по отношению к другим видам поверхностного упрочнения.

 

Обоснование режимов управления процесса ЛТУ (без оплавления) на основе математического моделирования тепловых процессов

Часть 1.

Цель лабораторного практикума:

1.   Установить зависимости влияния параметров ЛТУ на температуру в центре факального пятна.

2.   Определить режимные параметры для управления процессом, т.е. установить ограничения на плотность мощности, скорости, радиуса фокального пятна

 

Исходные данные:

Материла – сталь 45, тип лазера – ЭЛУ

 

1. Теоретическая часть

         Описание процесса лазерного термического упрочнения (в импульсном режиме, без оплавления), его особенности, параметры и т.п.

 Методы решения задачи теплопроводности при лазерном термоупрочнении.

 Методы решения задачи теплопроводности при лазерном термоупрочнении.

Лазерная закалка заключается в кратковременном воздействии импульсом излучения на поверхность материала. При этом в материале возникает температурное поле, имеющее осевую симметрию. Для коротких импульсов, используемых при лазерном термоупрочнении, основной поток теплоты в материале распространяется нормально к поверхности [6,7].

Практический интерес представляет определение глубины закаленного слоя при лазерной закалке импульсные излучением.

Наиболее удобны для инженерных расчетов тепловых процессов аналитические решения, полученные в виде конечной зависимости температуры от координат и времени. Однако реализовать решение дифференциального уравнения теплопроводности в аналитическом виде удается лишь для ряда простых случаев, когда это уравнение сводится к линейному представлению наряду с некоторыми дополнительными упрощениями. Ниже будут представлены аналитические зависимости, полученные для ряда конкретных условий лазерного термоупрочнения поверхностей металлов.

Задачи теплопроводности в более общей и точной формулировке учитывают характер изменения теплофизических свойств материала в условиях быстрого нагрева и охлаждения при лазерной обработке. Как указывалось выше, это приводит к необходимости решения нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности. Это уравнение в дифференциальной форме формулирует условия теплопередачи в твердых телах вследствие теплопроводности.

Для общего случая трехмерного тела, в котором тепловые потоки могут распространяться по всем направлениям в объеме тела, уравнение теплопроводности имеет следующий вид:

где с(Т) - зависимость удельной теплоемкости от температуры; _Т(Т) - зависимость коэффициента теплопроводности от температуры; Q - удельное количество теплоты, выделяемое источником нагрева;  - плотность обрабатываемого материала.

Решения задач еще более усложняются при учете механизма взаимодействия лазерного излучения с материалом вследствие зависимости поглощательной способности от температуры, что также дополнительно вносит нелинейность в дифференциальное уравнение теплопроводности. И наконец, использование в общем случае нелинейных граничных условий, зависимых от температуры поверхностных участков, крайне осложняет решение уравнения теплопроводности.

В теории теплопроводности отсутствуют общие методы точного решения задач с учетом указанных нелинейностей. Поэтому используют различные приближенные методы решения на основе аналитических представлений, численных методов, принципов моделирования, статистических методов и др.

Приближенные аналитические методы позволяют учесть некоторые нелинейности теплофизических свойств, ограниченные размеры тела и др. Используются разнообразные методы, основанные на линеаризации, введении специальных функций, методы интегральных преобразований и др. В целом приближенные аналити­ческие методы применяют в относительно простых случаях, при решении модельных задач, для установления качественных зависимостей в упрощенных случаях лазерной обработки. В более важных практических случаях эти методы требуют значительного объема вычислений и реализуются на ЭВМ.

Для решения сложных задач нелинейной теплопроводности, возникающих в практических случаях лазерной обработки материалов, более перспективными являются численные методы, получившие широкое развитие в последние годы в связи с возросшими возможностями современных вычислительных средств.

Из численных методов расчета для решения задач нелинейной теплопроводности широко применяют метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод релаксаций, метод прямых и др. Среди них наиболее распространенными в теории теплопроводности являются метод конечных разностей и метод конечных элементов, основанные на преобразовании дифференциальных урав­нений к системе алгебраических.

При решении тепловых задач численными методами не вызывают затруднений учет нелинейностей дифференциального уравнения теплопроводности, теплоты фазовых превращений, изменения параметров режима или внешних условий в процессе обработки. Вместе с тем методы требуют больших затрат времени и объема оперативной памяти современных ЭВМ.

В повседневной практике инженеров по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» процесс выполнения вычислении и оценок перед рекомендацией того или иного технологического режима обработки будет занимать основное место. Математические расчеты с применением систем высокого уровня (MathCAD,MatLAB, Mathematica и др.) не требуют знаний системного программирования. Эти системы позволяют в формализованном виде строить математические модели физических процессов и явлений. В настоящем лабораторном практикуме все работы выполнены в математической системе MathCAD 2001 Prof.