Термическое воздействие на материал при лазерной поверхностной обработке

Рассмотренные ранее уравнения описывают температурные поля при действии на поверхности тела сосредоточенного или распределенного теплового потока, создаваемого падающим на поверхность лазерным излучением.

Рис. 27. Ширина зоны 2l, нагревающейся выше температуры Тl	Рис. 28. Номограмма для определения ширины зоны нагрева при движущемся по поверхности полубесконечного тела точечном источнике теплоты

Практический интерес представляют расчетные оценки основных параметров лазерного нагрева, которые могут быть получены из представленных уравнений. Для оценки термического влияния на обрабатываемый материал в ряде случаев необходимо определять размеры зоны 2, нагревавшейся выше заданной температуры Т_l в процессе лазерной поверхностной обработки (рис. 27), т. е. максимальную ширину изотермы T_l. Координата точки А, определяющая полуширину изотермы, находится из условий, что точка А располагается на изотерме T_l и в ней достигается максимальная температура на расстоянии у = I, т. е. ¶Т/¶х = 0. Решение уравнений для процесса распространения теплоты точечного источника постоянной интенсивности q, движущегося с постоянной скоростью v по поверхности массивного тела, представлено на рис. 28 в виде номограммы для определения ширины зоны термического влияния. По значениям параметров режима обработки q, v и свойств обрабатываемого материала, вычисляется значение T_l×4pl_та/(qv), а затем по номограмме определяется значение vl/(2a) и таким образом находится ширина зоны нагрева 2l до заданной температуры Tl.

Аналогично определяется ширина зоны термического влияния в случае мощного быстродвижущегося точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела:

2l =

(17)

Для определения структуры и свойств металла npи лазерной обработке необходимо знать изменение температуры в процессе нагрева и охлаждения в различных участках обрабатываемого тела, характеризуемое термическими циклами.

При поверхностной лазерной обработке термические циклы точек, расположенных на более удаленных расстояниях от оси движения источника теплоты, характеризуются меньшими скоростями нагрева, значениям» максимальных температур и скоростями охлаждения.

Представляет интерес возможность их количественного определения.

Максимальная температура определяется из условия равенства нулю первой производной температуры по времени или по расстоянию. Для мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности массивного тела (16) получено аналитическое выражение максимальной температуры:

Tmax =

(18)

Мгновенные скорости нагрева и охлаждения представляют собой первые производные температуры по времени: w = ¶Т/¶t. В общем случае, если имеются аналитические выражения температурного поля, достаточно вычислить изменение температуры в интересующей точке в различные моменты времени и определить скорость изменения температуры численным дифференцированием.

Для точек, расположенных на оси перемещения мощного быстродвижущегося источника по поверхности массивного тела, получено аналитическое выражение для вычисления скорости охлаждения

w = -2plтuT^2/q

(19)

Знак «минус» означает, что рассматривается охлаждение материала.

Для последующего определения температурного поля, возникающего в процессе лазерной обработки, используют уравнения теплопроводности твердого тела. Широкую известность приобрели аналитические выражения, являющиеся прямыми решениями уравнения теплопроводности для простых случаев, когда принимают теплофизические свойства материала не зависящими от температуры и вводят некоторые другие упрощения. При этом нелинейное уравнение теплопроводности приводится к линейному виду, что позволяет получать аналитические решения, широко применяющиеся для прикидочных расчетов. Сопоставление результатов аналитических решений с экспериментальными данными показывает, что удовлетворительное их совпадение имеет место при нагреве до невысоких температур, например, в сталях до t£ 400-600^оС. Поэтому при высоких температурах следует переходить к решению нелинейных дифференциальных уравнений теплопроводности. Важное значение при этом приобретают приближенные методы решения задач нелинейной теплопроводности, среди которых широкими возможностями и универсальностью обладают численные методы в сочетании с ЭВМ.

Дата добавления: 2014-01-04