CC BY
7
Currently, more and more companies and organizations are facing the problem of poor lighting in the workplace and its impact on occupational safety. This paper analyzes the impact of poor lighting on occupational safety. The article discusses the following issues: the causes of poor illumination in the workplace, how poor illumination affects workers, what consequences may arise with a lack of light and illumination. In addition, the paper presents the main methods for calculating lighting in a working room. The article also describes methods for improving illumination in the workplace and recommendations for improving lighting conditions. The simplest methods are given, and progressive technologies of automatic lighting control using sensors and controllers are also considered.
Key words: analysis, calculation, computer modeling, labor safety, labor protection, production.
Bocharova Alena Mikhailovna, student, shishkina5ap@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Science advisor: Maslova Anna Alexandrovna, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791.72
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-312-315
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ И РАСЧЕТЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
В.Г. Новиков
Существует большое число методов соединений различных элементов между собой, которые в основном разделяют на разъемные и неразъемные. Каждая из технологий соединения применяется в конкретном случае, и чаще всего заранее известен и понятен наиболее оптимальный метод соединения деталей или их частей. Одним из методов создания неразъемных соединений является сварка, которая подразделяется на широкий набор способов сваривания. В частности, существует метод сварки с использованием лазера в качестве энергетического источника. В данной работе рассматриваются достоинства и недостатки, а также основные особенности проведения операции по соединению металлов с помощью лазерной сварки. Также проводится оценка способов для проведения расчетов этого метода сварки. Приводятся некоторые уравнения для расчета технологических параметров сварки в программных комплексах для математического анализа с помощью теории теплопроводности. Делаются выводы о возможностях и перспективах применения лазерной технологии соединения металлических деталей.
Ключевые слова: сварка, технологический расчет, лазерная сварка, металл, оборудование, применение.
Сварка металла может осуществляться с помощью лазерных установок. Лазерная сварка применяется, если требуется сварить изделие сложной формы или соединить между собой мелкие элементы [1-3]. Также данная технология подходит для соединения между собой деталей, изготовленных из разных видов металла. Применяется лазер для сваривания не только металлов и сплавов, но также стекла, пластика и других видов неметаллических материалов [4-5].
Эта технология обеспечивает высокую точность, благодаря чему можно создавать даже небольшие, но аккуратные швы. При этом нет потребности в том, чтобы использовать электроды или флюс. Преимущество лазерной сварки еще и в том, что она позволяет работать в малодоступных местах, где обычной сваркой выполнить задачу невозможно или сложно.
Применение лазерной сварки также имеет недостатки. Во-первых, само оборудование стоит дорого, поэтому для выполнения разовых работ оно не подойдет. Во-вторых, эффективность сварки таким методом довольно низкая, если сравнивать с использованием обычного сварочного оборудования. В-третьих, для лазерной сварки потребуется предусмотреть отдельное помещение и создать все необходимые условия.
По глубине проплавления различают микро-, мини- и макросварку. В первом случае глубина проплавления не превышает 0,1 мм. Минисварка сопровождается глубиной проплавления до 1 мм, а если данный показатель превышается, то это уже макросварка.
Также различают точечную и шовную сварку. Точечная технология используется при сварке тонких изделий, например, в сфере изготовления электроники. Шовная лазерная сварка применяется для сваривания деталей из нержавеющих сталей, а также при создании труб.
312
Системный анализ, управление и обработка информации
Сама технология сваривания бывает внахлест и стыковой. Сварка внахлест подразумевает под собой накладывание одной детали на другую. Сварка встык осуществляется с помощью прикладывания торцов двух деталей друг к другу. При этом сам стык не должен быть более 0,2 мм.
Сварка может производиться с помощью таких видов оборудования:
1. Ручного.
2. Автоматического.
3. С помощью твердотельного лазера.
4. С помощью газового лазера.
Одним из преимуществ ручных лазерных аппаратов является их относительно невысокая стоимость, но они довольно большие. Для их перемещения предусмотрены колеса. Такая техника может применяться для изготовления небольшого количества деталей и не в промышленных масштабах. Для серийного и массового производства применяются автоматические лазерные сварочные станки. Они необходимы в сфере машиностроения, приборостроения и так далее.
Лазерный сварочный аппарат с твердотельным лазером включает в себя стеклянную установку со стержнем с неодимом (или может использоваться рубиновый стержень). На торцах располагаются зеркала, концентрирующие лазерный луч нужной длины волны. Это обеспечивает необходимую точность. Применяются такие устройства для того, чтобы сваривать изделия из меди, серебра, стекла и так далее.
Газовый лазер функционирует на основе гелия, азота или углекислого газа. Отличительной особенностью таких устройств является обеспечение более длинной волны (до 10,6 мкм). Газовые лазеры считаются более эффективными, чем твердотельные модели. Но при этом работать с такими устройствами будет существенно сложнее. Особую сложность вызывает сварка металлов, которая должна осуществляться в вакууме. Для этого используют аргон или схожий по свойствам газ.
Данная технология позволяет изготавливать высокоточные детали для машиностроительной сферы, в аэрокосмической отрасли, в сфере производства электроники и так далее. Востребована лазерная сварка и в атомной энергетике, где нужно обеспечить точное сваривание титановых и других деталей. С помощью этой технологии можно сваривать между собой детали из разных металлов. Это практически невозможно обеспечить стандартными видами сварочного оборудования.
Так как лазерная сварка является сложным технологическим процессом, то важной задачей является расчет процесса, который может осуществлен несколькими методами [6-9], первый из которых представляет собой компьютерное моделирование в САПР, второй метод подразумевает проведение математических расчетов с помощью известных формул [10]. Последний метод позволяет относительно быстро и с достаточно высокой точностью определить основные технологические параметры сварки.
Так существует ряд уравнений для определения некоторых характеристик процесса, часть из которых решается через теорию теплопроводности. Одним из основных методов решения уравнения теплопроводности является метод преобразования Лапласа. Так одномерный случай лазерной поверхностной обработки материала короткими импульсами описывается выражением [10]:
£ _
Т _ 2 • Ае/ • • ^ог • íerfc(x) Я '
где Т - температура металла на глубине, К; Аef - коэффициент поглощения энергии; Е - энергия импульса, Дж; т - длительность импульса, с; S - площадь фокального пятна, мм; а - температуропроводность металла; ierfc(x) - функция интервала вероятности; X - теплопроводность металла.
Чтобы подобрать оптимальные значения параметров Е и т, нужно достигнуть определённой температуры плавления на поверхности металла. Температура на поверхности определяется по формуле [10]:
2 ^ А./ • £ •Д
1 ~ я .
В этом случае систему уравнений наиболее оптимально решать с помощью математического MathCad, в которой можно установить зависимости ширины шва от энергетических параметров режима сварки.
Таким образом, лазерная сварка является прогрессивной технологией обработки материалов, которая имеет свои как достоинства, так и недостатки, поэтому в каждом случае стоит рассмотреть возможность и оптимальность применения этого метода.
Список литературы
1. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах/ Под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чер-нышова. М.: Машиностроение, 2014. Т.1 / Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др. 624 с.
2. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / [А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин]. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 752 с.
3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка металлов. М.: Высшая школа, 1988. 207 с.
4. Банов М.Д. Специальные способы сварки и резки / М.Д. Банов, В.В. Масаков, Н.П. Плюсни-на. М.: Издательский центр "Академия", 2009. 207 с.
5. Новицкий М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов: Пер. с польск. (Пер. Д. И. Юренкова). М.: Машиностроение, 1981. 152 с.
6. Москвитин Г. В., Поляков А. Н., Биргер Е. М. Лазерная сварка пластических материалов (обзор) // Технология машиностроения. 2012. № 11. С. 31-42.
7. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.Л. Амитан [и др.] ; под ред. В. А. Волосатова. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988. 719 с.
8. Новиков В.Г. Анализ и расчет параметров процесса лазерной сварки металлических листов с учетом их физико-технических особенностей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 520-522.
9. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951, 296 с.
10. Лосев В.Ф., Ципилев В.П. Лазерные технологии и оборудование. ТПУ. 2008. 148с.
Новиков Владислав Геннадьевич, студент, therealnovikov@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель: Евдокимов Евгений Георгиевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ON THE QUESTION OF APPLICATION AND CALCULATION OF LASER WELDING PROCESSES OF
METAL PRODUCTS
V.G. Novikov
There are a large number of methods for connecting various elements to each other, which are mainly divided into detachable and one-piece. Each of the connection technologies is used in a specific case, and most often the most optimal method for connecting parts or their parts is known and understood in advance. One of the methods for creating permanent joints is welding, which is divided into a wide range of welding methods. In particular, there is a method of welding using a laser as an energy source. This paper discusses the advantages and disadvantages, as well as the main features of the operation to join metals using laser welding. Methods for carrying out calculations for this welding method are also being evaluated. Some equations are given for calculating the technological parameters of welding in software systems for mathematical analysis using the theory of heat conduction. Conclusions are drawn about the possibilities and prospects for the use of laser technology for joining metal parts.
Key words: welding, technological calculation, laser welding, metal, equipment, application.
Novikov Vladislav Gennadevich, student, therealnovikov@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Evdokimov Evgeny Georgievich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
