Процессы лазерной обработки анизотропных гетерогенных материалов

• Автор: Гайдуков, Юрий Николаевич
• Шифр специальности: 05.03.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 153 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Сравнительный анализ методов резания неметаллических материалов

1.2 Строение анизотропных гетерогенных неметаллических материалов

1.3 Анализ влияния типа строения, материалов на характер разрушения под действием лазерного излучения

1.4 Модели лазерной обработки материалов

1.4.1 Модели разрушения материалов

1.4.2 Модели газодинамических процессов

1.4.3 Модели для расчета геометрии зоны обработки при газолазерной резке материалов
1.5 Выводы по главе 1
Цель и задачи работы ,
2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ В АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛАХ
2.1.1 Математическая модель нагрева анизотропного материала источником лазерного излучения
2.1.2 Исследование влияния анизотропии материала на тепловые поля при
воздействии лазерного излучения
2.1.2.1 Влияние анизотропии на скорость нагрева поверхности материала
2.1.2.2 Влияние анизотропии на характер температурных полей
2.2 РАЗРУШЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.2.1 Математическая модель теплового разрушения гетерогенных материалов
2.3 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ
РЕЗКЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
2.3.1 Математическая модель газодинамических процессов в зоне реза
2.3.1.1 Расчет параметров потока вспомогательного газа в канале реза.
2.3.1.2 Расчет плотности продуктов эрозии в канале реза
2.3.1.3 Расчет поглощения лазерного излучения в продуктах эрозии 57 2.4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ ОБРАБОТКИ
2.4.1 Математическая модель формообразования канала реза
2.4.1.1 Расчет потерь мощности на теплоотвод в материал
2.4.1.2 Расчет энерговклада химических реакций
2.4.1.3 Расчет охлаждающего действия газовой струи
2.4.1.4 Расчет плотности мощности лазерного излучения с учетом поглощения в продуктах эрозии
2.4.1.5 Расчет геометрии канала реза
2.5 Выводы по главе 2
3.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ
3.1 Исследование закономерностей разрушения гетерогенных материалов
дисперсного строения
3.2 Исследование газодинамических процессов при лазерной резке
неметаллических материалов
3.2.1 Влияния технологических параметров на характеристики потока
газа в канале реза
3.2.2 Влияние скорости течения вспомогательного газа на плотность и оптическую толщину продуктов эрозии
3.3 Исследование формообразования канала реза
3.3.1 Зависимость глубины реза от мощности лазерного излучения
3.3.2 Влияние режима резки на глубину канала реза
3.3.3 Влияние скорости течения вспомогательного газа на глубину канала

3.4 Выводы по главе 3
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
4.1 Создание экспериментальной установки
4ЛЛ Лазер ЛГП-200
4Л .2 Система электропитания лазера
4.2 Методика экспериментальных исследований
4.3 Исследование лазерного разделения неметаллических материалов
4.3.1 Влияние энергетических параметров лазерной резки на геометрические характеристики зоны обработки
4.3.2 Влияние газодинамических параметров на геометрические характеристики зоны обработки
4.3.3 Резание гетерогенных материалов с дисперсным строением
4.3.4 Резание кож маломощным излучением лазера
4.3.5 Резание пористых материалов
4.4 Разработка технологии лазерного резания неметаллических материалов
4.5 Выводы по главе 4 |
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА I
ПРИЛОЖЕНИЯ

значение Лу принимается постоянным, а величина Лх изменяется в выбранном
диапазоне. Расчеты выполненные по данной методике позволят получить зависимость времени нагрева материала (н от степени различия коэффициентов Лх и Яу. Так как для материала, имеющего отличающиеся значения Лх и Лу;
для одной ориентации местное значение Лх больше Лу> а для другой наоборот, то при проведении анализа необходимо рассмотреть два случая:
- влияние анизотропии на значение („ при условии Лх меньше Лу;
- влияние анизотропии на значение при условии Лх больше Лу.
Целью описанной методики исследования является определение возможности использования существующих аналитических зависимостей для изотропных материалов с соответствующими поправками на анизотропию коэффициента теплопроводности.
При проведении тепловых расчетов, использовались следующие значения теплофизических коэффициентов КМ сплава ХН78Т - вольфрам ВА с 25% содержанием вольфрама, рассчитанные по формулам [16]:
- плотность 11080 кг/мъ
- удельная теплоемкость 356 Дж/{кг-К).
За температуру разрушения материала принята температура плавления никеля равная 1455 °С.
Для удобства обработки и представления полученных результатов введем коэффициент анизотропии Ка, равный отношению продольной Лх и
поперечной Лу составляющих коэффициента теплопроводности. Описанные ниже расчеты проведены для материалов с трехкратным различием значений Лх и Лу> таким образом величина Ка изменялась в диапазонах 0.33 - 1.0 и 1

Моделирование проводилось для образца с толщиной 1 мм и длиной 4 мм. Для обеспечения высокой точности результатов моделирования соответствующая образцу расчетная область разбивалась на 2500 элементов треугольной формы. Расчет проводился для нормального распределения