Обоснование выбора ТЛ

Суть технологического лазерного процесса – чаще всего разогрев до такой температуры, при которой начинается необходимое изменение её фазового состояния (плавление или испарение). Объем зоны расплавленного (испарившегося) вещества будет определяться распределением в нем температурного поля, которое может быть получено из уравнения теплопроводности твердого тела:

, (4.1)

где Т – температура материала в произвольной точке с координатой x,y,z в момент времени t;

- коэффициент теплопроводности;

- плотность вещества;

- его удельная теплоемкость;

- объемная плотность источников тепла.

Уравнение (4.1) представляет собой “Закон сохранения энергии” в дифференциальной форме, согласно которому, выделяемое тепло частично идет на повышение температуры, а частично отводится в соседние участки материала. Решение этого уравнения представляет большую математическую сложность, т.к. теплофизические константы могут сильно меняться в процессе обработки. Кроме того, это уравнение не учитывает целый ряд факторов (отвод тепла за счет испарения вещества, вынос жидкой и капельной фазы потоками испарения или за счет газового дутья и т.д.).Таким образом, строгое решение этой задачи не представляется возможным. Для оценки хода процесса в инженерном приближении существует ряд упрощенных методик. Так можно составить уравнение баланса энергии для усредненных величин в условиях пренебрежения теплоотводом:

, (4.2)

где - минимальная энергия, необходимая для обработки детали;

– глубина обработки материала;

- площадь облучения лучом;

- температура верхнего фазового превращения;

- температура окружающей среды;

- удельная скрытая теплота фазового перехода.

В правой части уравнения (4.2) первое слагаемое дает энергию расходуемого на нагрев вещества, до температуры Т, второе – энергию, необходимую для фазового перехода. В случае непрерывного выделения энергии, разделив (4.2) на время, получаем выражение для (необходимой мощности):

, (4.3)

где - скорость перемещения луча по детали;

- диаметр (ширина) луча.

При расчете или следует обратить внимание на три момента:

1.В процессе обработки может сильно меняться коэффициент отражения материала. В частности он уменьшается с повышением температуры и при окислении металлов. В итоге Р может уменьшаться за время обработки в несколько раз. Поэтому практически следует на основе литературных данных заранее увеличить исходный коэффициент поглощения.

2.В задании, как правило, отсутствует площадь лазерного луча или ширина зоны обработки. Эти величины зависят от диаметра сфокусированного лазерного луча . В короткофокусных оптических системах ограничен дифракцией и составляет . В технологических лазерных установках используются объективы со сравнительно большим фокусным расстоянием, при котором между деталью и объективом может быть размещена защита линз от продуктов испарения (например, сопло для дутья) или источники дополнительного нагрева. В этом случае диаметр сфокусированного лазерного пучка будет составлять , где - фокусное расстояние линзы, а - угловая расходимость лазера. типичных ТЛ лежит в пределах 2-5 м/рад. Реально в современных технологических установках составляет доли миллиметров.

Таким образом, ширина зоны обработки зависти от параметров лазера, типа объектива, от характера распространения тепла по обрабатвываемому материалу. В тонких деталях можно грубо считать , в других случаях надо учитывать зависимость .

Формулами (4.2) и (4.3) можно пользоваться только в том случае, если доказана справедливость пренебрежения теплоотводом. Для этого надо сопоставить среднее расстояние распространения тепла b c шириной зоны обработки:

, (4.4)

где t – характерное время теплового процесса.

При импульсной обработке t равно длительности импульса излучения. Для непрерывного процесса . Условие, при котором можно пренебречь теплоотводом, будет:

. (4.5)

Если условие (4.5) не соблюдается или в данной технологической операции играют неучтенные ранее явления (вынос жидкой фазы испаряющимся материалом, дополнительное газовое дутье, дополнительны подогрев), то в этом случае возможно использование полуэмпирических формул. Во-первых, это соотношение вида:

, (4.6)

где и - эмпирические коэффициенты.

Во-вторых, в ряде случаев (например, при обработке стекла) вводится эмпирическая формула величины удельной энергии данной процедуры , тогда:

. (4.7)

Для ряда конкретных операций, в литературе даются прямые эмпирические зависимости мощности лазера от скорости обработки и толщины материала, либо в виде градиентов, либо в виде таблиц. Таким образом, в каждом конкретном случае можно выбрать наиболее простой и достаточно обоснованный путь нахождения и по известным параметрам технологического процесса.