CC BY
20
Ю. Н. ВОЛКОВА М. А. ЧИЖИК Ю. И. МАТЯШ
Омский государственный институт сервиса
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 687.678.029.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ__
НА ОСНОВАНИИ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕДЛАГАЕТСЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ ПРИЗНАКУ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ.
Лазерные технологии используются в различных отраслях промышленности, в том числе и в швейном производстве, преимущественно для раскроя тканей и сварки деталей из текстильных термопластичных материалов.
Для эффективного использования лазерной обработки в швейном производстве и математического описания процесса необходимо иметь представление о факторах, влияющих на процесс.
Авторами предлагается классификация факторов (рис.1), влияющих на процесс обработки текстильных материалов лазерным излучением.
Первая группа - это свойства обрабатываемых материалов: структура, плотность и толщина, теплофизические и оптические свойства.
Установлено, что площадь зоны обработки и ее качественные характеристики во многом определяются такими параметрами обрабатываемого материала, как структура, плотность и толщина материала.
Структура большинства текстильных материалов пористая, и они имеют сравнительно малое заполнение объема волокнистым составом благодаря наличию сквозных пор , поэтому часть теплового потока будет проходить через материал, и основное взаимодействие с лазерным
излучением будет происходить на участках, которые заполнены волокнистым составом. При увеличении плотности растет количество контактирующих с излучением поверхностей, линий и точек [1 ].
Кроме того, при соединении деталей из текстильных термопластичных материалов толщина их существенно влияет на размерные характеристики сварного шва, в частности на его толщину.
Из других свойств обрабатываемых текстильных материалов, влияющих на процесс обработки, следует выделить теплофизические, такие как теплоемкость, теплопроводность и температуру плавления; и оптические - коэффициенты поглощения, пропускания и отражения.
Установлено, что на теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость) материала влияет его объемная масса, влажность, температура. Коэффициент теплопроводности почти линейно растет с повышением температуры и при температурах, близких к плавлению или разложению материалов, он увеличивается на 30-50%.
В отношении с излучением текстильные материалы представляют собой типичные неоднородные светорас-сеивающие вещества, в которых поглощающими и рассе-
Рис.1. Классификация факторов, влияющих на процесс обработки текстильных материалов лазерным
ивающими элементами являются нити и волокна. В общем случае ткани являются оптически толстыми материалами, однако отдельные волокна можно рассматривать как термически тонкие материалы, т.е. поглощение энергии лазерного излучения происходит в слое, соизмеримом с диаметром волокна (10 ~2 мм) [2].
Установлено, что при воздействии лазерного излучения на материалы часть светового потока отражается от поверхности, часть поглощается, а часть проходит через материал [1,2]. При этом возможность отражения зависит от состояния поверхности, в то время каклогло-щения и пропускания определяются толщиной и внутренним строением.
В литературе приводятся значения коэффициентов поглощения а и отражения р различных текстильных материалов для излучения С02-лазера, и обнаружена общая тенденция к возрастанию поглощаемости с увеличением их толщины .Для материалов из волокон природного происхождения коэффициент поглощения несколько выше, чем для материалов из синтетических волокон [3,4].
Анализ работ, посвященных исследованиям свойств термопластичных материалов сточки зрения восприятия лазерного излучения , позволил сделать заключение о целесообразности использования для лазерной обработки текстильных материалов С02- лазеров непрерывного действия, т.к. в области их излучения (10,6 мкм) текстильные материалы имеют максимальный коэффициент поглощения (а = 86 - 94%) и цвет тканей не оказывает влияния на оптические характеристики. Как показали эксперименты, окраска материала практически не влияет на величину коэффициентов поглощения и отражения, следовательно, различные по окраске материалы будут воспринимать лазерное излучение одинаково при всех прочих разных условиях [5].
Вторая группа факторов - это параметры режимов обработки. Следует отметить, что одни из параметров задаются непосредственно в технологическом процессе и являются основными, другие используются наряду с основными и характеризуют их взаимодействие (так называемые производные параметры). Кроме того, существуют технологические приемы, способствующие повышению показателей качества, при осуществлении которых появляются дополнительные вспомогательные параметры.
Таким образом, параметры режимов обработки можно разделить на основные, производные и вспомогательные. На рис.2 представлены схема и обозначение параметров, обеспечивающих процесс лазерной обработки текстильных материалов.
Основными параметрами лазерной обработки являются: мощность излучения (1,Вт), определяющая проплавляющую способность и характер обработки; скорость обработки(\/, м/мин), влияющая на распространение теплоты в обрабатываемом материале; параметры фокусирующей системы (диаметр сфокусированного пятна и положение фокального пятна относительно обрабатываемой поверхности, или расфокусировка излучения).
Анализ экспериментальных исследований показал, что во всех случаях с увеличением мощности излучения увеличивается зона обработки. Это естественное следствие физики самого процесса, т.к. с увеличением мощности возрастает размер зоны, прогретой выше температуры плавления. Увеличение же скорости приводит к уменьшению зоны обработки, т.к. уменьшается энергия, выделяемая на единицу площади, причем эта зависимость увеличивается с ростом мощности.
К производным параметрам, характеризующим взаимодействие основных, следует отнести плотность мощности (Е, Вт/м2) в зоне обработки, которая определяется отношением мощности лазерного излучения к площади пятна, сфокусированного на поверхности обрабатываемого материала. Использование этих параметров и вре-
Рис.2 Схема процесса лазерной обработки текстильных материалов:
Р - мощность лазерного излучения; V - скорость сварки;
1- - расстояние от среза сопла до поверхности свариваемого материала; <1с(1 - диаметр луча
на поверхности материала; в-давление струи газа, подаваемого в зону обработки.
мени воздействия излучения (т) позволяет классифицировать методы лазерной обработки по энергетическому признаку для реализации различных технологических процессов (рис.3)
На диаграмме можно выделить шесть зон: 1- поверхностного нагрева, 2 - сварки, 3 - резания, 4 и 5 - комбинированные зоны, где происходящие процессы обусловлены свойствами материала, 6- зона образования плазмы.
При Е = 0,1-Ю7 —0,6-Ю7 Вт/м2 и т < 2 10"2 с происходит только нагрев материала, приводящий к различным структурным изменениям на его поверхности. В этой зоне осуществляются процессы термической обработки текстильного материала - поверхностное упрочнение и др.
При Е = 0,6Ю7-ЗЮ7 Вт/м2 и т = 7-1 О*2—18-10"2с осуществляются процессы, связанные с плавлением материала, -сварка.
При Е = 1 • 1О7- 4-107 Вт/м2 и т = 2-10"2 - 5-10'2 с осу ществляются процессы, связанные с плавлением и удалением материала из зоны воздействия, - резка.
При Е = 0,6-107 -4-107 Вг/м2 и т = 5-10 7-1 а2 с осуществляются процессы, обусловленные свойствами и связанные либо только с плавлением, либо с плавлением и удалением материала.
При Е = 0,6-107 -1 • 107 Вт/м2 и т = 2-10'2 - 7-1 а2 с осуществляются процессы. Также обусловленные свойствами обрабатываемого материала: обработка, сварка, резка.
При Е > 4-107 технологические операции не осуществляются, т.к. возникающая на поверхности материала плазма практически полностью поглощает лазерное излучение, препятствуя его прохождению в материал.
Существенное влияние на процесс обработки текстильных материалов лазерным излучением оказывают вспомогательные параметры, такие как зазор между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала, давление газа, свойства материала подложки.
Изменение расстояния между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала позволяет менять диаметр светового пятна (пятна нагрева) в зоне взаимодействия лазерного излучения с текстильным материалом, что, в свою очередь, дает возможность осуществлять регулировку геометрических параметров проплав-ления (см. рис.2). Зависимость площади зоны обработки от расстояния среза сопла до поверхности обрабатываемого материала при постоянных мощности излучения и скорости перемещения материала исследовалась автором работы [1]. Установлено, что с увеличением расстояния между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала площадь зоны обработки увеличивается. Этот факт объясняется расфокусировкой излучения. Однако
Рис.3. Диаграмма использования методов лазерной обработки, классифицированных по энергетическому признаку,
для реализации различных технологических процессов.
при некотором расстоянии от среза сопла до поверхности материала мощности излучения оказывается недостаточно для прогрева материала, в результате чего ширина обрабатываемой зоны начинает уменьшаться. Рост размера пятна излучения требует увеличения мощности.
Кроме расстояния между срезом сопла и поверхностью материала, на процесс обработки существенное влияние оказывает давление газа.
Для текстильных материалов характерным является их горючесть, следовательно, образованные в процессе горения газообразные и коллоидные продукты (дым), попадая в окружающую среду вызывают экранирование лазерного излучения. Для удаления газообразных продуктов взаимодействия лазерного излучения и текстильного материала, а также для охлаждения участков материала, прилегающих к зоне обработки, используется струя газа, продуваемая из сопла. При этом должна быть подобрана величина давления, чтобы вместе с газообразными продуктами обработки из зоны не был удален расплав. Большое значение имеет выбор рода газа. Для обработки текстильных термопластичных материалов целесообразно использовать воздух. Следует отметить, что струя газа, подаваемая в зону обработки при сваривании текстильных материалов, способствует сближению внутренних поверхностей соединяемых материалов, однако струя газа не обеспечивает плотного контакта внутренних поверхностей свариваемых материалов в зоне воздействия лазерного излучения, поэтому представляется целесообразным выделить сварочное давление как самостоятельный фактор в предлагаемой классификации.
Кроме того, немаловажным при осуществлении процесса лазерной обработки материалов является выбор материала подложки, обладающего определенным набором оптических и теплофизических характеристик. Анализ литературных источников по изучению особенностей воздействия лазерного излучения на металлы показал, что значительная доля лазерного излучения, прошедшего через текстильный материал, будет отражаться от металлической поверхности, а остальная часть проникает в подложку на незначительную глубину и поглощается в приповерхностном слое толщиной 10"8-10"7 м, вследствие чего происходит ее нагрев. При этом отраженное от подложки излучение практически полностью поглощается материалом. Установлено, что коэффициент отражения играет важную роль при выборе материала подложки, т.к. показывает, какая часть энергии не участвует в нагреве поверхности подложки. Однако вследствие увеличения времени воздействия излучения повышается температура поверхности, в результате чего коэффициент отражения падает,
поглощательная способность увеличивается[1,3]. Подобная обратная связь должна быть учтена при выборе параметров обработки. Необходимо, чтобы подложка бала выполнена из металлов, имеющих высокий коэффициент отражения. Этому требованию наилучшим образом соответствует алюминий и медь. Кроме того, подложка должна иметь гладкую, полированную поверхность.
Таким образом, анализ факторов, выявленных в результате изучения процесса взаимодействия лазерного излучения с текстильными материалами, позволил выделить основные, оказывающие влияние на процесс обработки. При этом следует отметить, что первостепенное значение имеют основные параметры режимов лазерной обработки, которые являются регулируемыми, и, изменяя значения этих параметров, можно достичь желаемого результата при различном их сочетании.
Однако основой лазерной обработки является разогрев материала до температуры структурных превращений при поверхностной обработке и до температуры плавления и выше - при сварке и резке. В процессе нагрева и охлаждения в материале происходят сложные физические и химические процессы. В результате свойства материалов значительно изменяются, и тем самым изменяется качество обрабатываемой детали. Для обработки материалов лазерным излучением с целью улучшения свойств, необходимо иметь представление о распределении температуры в нем и изменении его во времени. Это позволит установить связь между режимом лазерной обработки и получаемыми свойствами обрабатываемого материала или детали изделия.
Следует отметить, что существуют различные методы определения температур в процессе лазерной обработки металлов и неметаллов, однако аналогичных исследований в области обработки текстильных материалов крайне мало, в силу того что они имеют сложное строение, что в свою очередь не позволяет разработать достоверную математическую модель нагрева тканей. Таким образом, дальнейшим направлением исследований является изучение теплофизических свойств текстильных материалов и их влияния на процесс лазерной обработки.
Литература
1. Чижик М.А. Прогнозирование свойств соединений деталей швейных изделий, выполненных методом лазерной сварки: Дис... канд. техн. наук.-СПб.: СПбГУТД 1995 -
247 с.
2. Сухова Т.Н. Разработка технологии сварки материалов для швейных изделий. Дис... канд.техн наук -СПб СПбГУТД, 1990.-187 с.
3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник//H.H. Рыкалин, А.А.Углов, И.В.Зуев, и др. -М.: Машиностроение. 1985. -494 с.
4. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Оборудование и технология лазерной обработки материалов. Учеб. для ПТУ. -М.: Высшая школа, 1990. - 159 с.
5. Бородай Н.В. Исследование оптических характеристик материалов (тканей) в естественном и поляризованном свете. Автореф. дис...канд. техн.наук. - М., 1983. -23 с.
МАТЯШ Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры вагонов и вагонного хозяйства, Омского государственного университета путей сообщения. ЧИЖИК Маргарита Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования швейных изделий Омского государственного института сервиса. ВОЛКОВА Юлия Николаевна, аспирант Омского государственного института сервиса, ассистент кафедры дизайна костюма Омского государственного института сервиса.
Люди русской науки
Александр Михайлович БУТЛЕРОВ 1828-1886
В 2003 г. исполняется 175 лет со дня рождения одному из самых выдающихся теоретиков химии и блестящих химиков-экспериментаторов Александру Михайловичу Бутлерову.
Одним из значимых результатов А. М. Бутлерова является получение сложного азотсодержащего соединения, так называемого гексаметилентетрамина— соединения, позднее нашедшего под названием «уротропин» широкое применение в медицине.
В 1861 г. А. М. Бутлеров сделал замечательное в истории химии открытие: при действии на диоксиметилен известкового раствора он впервые путем синтеза получил сахаристое вещество, которому дал название «метиленитана».
В ряде статей ученый более детально развил учение о строении органических соединений. В «Ученых записках Казанского университета» (1862 г) А. М. Бутлеров так сформулировал исходное положение своей теории строения: «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу».
Главным результатом его экспериментальных исследований явился знаменитый бутлеровский синтез триметилкарби-нола, первого представителя класса третичных спиртов. Этот синтез положил начало бесконечному ряду синтезов, которые, модифицируясь и трансформируясь, восходят до наших дней. Получение А. М. Бутлеровым третичных спиртов имело огромное значение для развития и признания теории химического строения.
Все эти работы имели фундаментальное значение для понимания явлений изомерии органических соединений, т. е. явлений существования химических соединений, состоящих из одинакового числа атомов одних и тех же элементов, но обладающих тем не менее различными химическими и физическими свойствами. Так, изучая свойства и превращения триметилкарбинола, А. М. Бутлеров получил из него новый углеводород, который он назвал изобутаном. Этот углеводород резко отличался от ранее известного химикам углеводорода с тем же составом, так называемого диэтила (т. е. нормального бутана). Таким образом А.М. Бутлеров впервые экспериментально доказал существование явлений изомерии в ряду предельных углеводородов.
В 1864 году издан впервые учебник A.M. Бутлерова «Введение к полному изучению органической химии», представлявший собой первый случай в мировой химической литературе, когда теория химического строения была последовательно проведена через все важнейшие классы органических соединений.
В числе первых ученый говорил о сложности атомов и о возможности превращения элементов друг в друга.
В 1868 г. А.М. Бутлеров по представлению Д.И. Менделеева был избран ординарным профессором Петербургского университета, а в 1874 г. стал ординарным академиком Академии наук. Являлся одним из самых деятельных членов Русского физико-химического общества, состоял членов Вольного экономического общества, охотно читал публичные лекции по вопросам практического характера «О воде», «О светильном газе» и другие. Работа ученого «Пчела» была удостоена почетной награды.
Яркую характеристику дал А.М. Бутлерову Д.И, Менделеев: «A.M. Бутлеров один из величайших русских ученых. Он Русский и по ученому образованию, и по оригинальности трудов. Ученик знаменитого нашего академика H.H. Зинина, он Сделался химиком не в чужих краях, а в Казани, где и продолжает развивать самостоятельную творческую школу. Направление ученых трудов A.M. Бутлерова не составляет продолжения или развития идей его предшественников, но принадлежит ему самому. В химии существует бутлеровская школа, бутлеровское направление».
По страницам книги «Люди русской науки». М., 1961. С. 448-455
57
