Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf

62
операции, включая стоимость оборудования. Следует учесть, что после ла- зерной резки последующая обработка поверхностей реза, как правило, не требуется.
Таблица 3.1
Сравнение скорости различных методов резки титана
Скорость резки мм/с при толщине в мм
Метод резки
3 6
12
Пилами
1,8 1,3 0,5
Лазером
50 25 16,7
Газокислородная
25 19,2 8,3
Плазменная
25 20.8 15
Таблица 3.2
Сопоставление затрат на резку титана различными методами
Затраты на оборудование, непосредственную резку и последующую обработку в пересчете на 1 м длины при тол- щине в мм, в $
Метод резки
3 6
12
Пилами
8,1 11,7 22,5
Лазером
3,8 6,5 6,8
Газокислородная
4,0 7,2 7,6
Плазменная
3,8 7,7 8,5
3.5.3 Лазерная обработка отверстий
Применение лазерной технологии для прошивки отверстий в машинострое- нии связано с тем, что механическое сверление отверстий малого диаметра со- пряжено с определенными трудностями, степень которых возрастает при обработ- ке современных твердых и жаропрочных материалов.
Лазерная обработка отверстий производится на установках, работающих в импульсном и непрерывном режимах излучения. Применяемые плотности мощности колеблются в пределах 10 7
Вт/см
2
. При этом глубина отверстия и его форма зависят от фокусного расстояния линзы, положения фокальной плоско-

63
сти относительно поверхности заготовки, энергии излучения и других факторов.
Поэтому в зависимости от свойств обрабатываемого материала, размеров отвер- стий, точности отверстий необходимо выбирать соответствующие режимы и мето- ды обработки.
Лазерная обработка наиболее эффективна при изготовлении небольших (до
1мм) отверстий на труднообрабатываемых материалах, например, в алмазных фильерах, рубиновых часовых камнях и т.д.
Отверстия до 1 мм, как правило, получают за счет копирования формы сфокусированного пучка лазерного излучения, а большего диаметра — за счет обработки по кольцевому контуру.
Грубые отверстия при импульсной обработке можно получать за счет вы- резания обходом по контуру подобно высверливанию.
3.6 Лазерная сварка
Применение лазеров существенно расширяет возможности технологиче- ского процесса сварки. С помощью лазеров можно сваривать конструкционные стали и сплавы (титановые, медные, алюминиевые и др.), неметаллы (полиэти- лен, полихлорвинил, искусственные ткани и т. п.).
В основе лазерной сварки лежит процесс быстрого нагрева малых объе- мов металла до расплавления, что становится возможным благодаря высокой концентрации энергии в лазерном луче.
Сварка заготовок происходит после достижения на поверхности металла температуры, равной точке его плавления. В зоне воздействия лазерного луча в поверхностном слое материала начинается плавление и перемещение жидкой фазы в глубь свариваемых заготовок. Образуется сварочная ванна, которая проникает на определенную глубину. При перемещении лазерного луча вдоль свариваемых поверхностей формируется сварочный шов.
Основные параметры, которые определяют возможность образования сварного шва — мощность лазерного излучения и время воздействия луча на данном участке. Процесс сварки осуществляется при плотностях мощности примерно 10 5
–10 6
Вт/см
2
. Меньшие плотности не обеспечивают плавления ме- талла вследствие высокой теплопроводности, большие могут вызвать испаре- ние и выброс материала из зоны сварки.
Лазерная сварка имеет ряд достоинств: отсутствие контактных воздейст- вий; высокая концентрация энергии; малая продолжительность воздействия ла- зерного луча в данном участке. Это приводит к существенному снижению зоны термовлияния по сравнению с дуговой сваркой и, как следствие, к малым тем- пературным деформациям; отпадает необходимость применения флюсов при сварке конструкционных сталей и вакуумных камер при сварке химически ак- тивных металлов (например, Ti сплавов); cварка ведется, либо на воздухе, либо в среде защитных газов (Аг, Не и др.); cварка осуществляется в различных про- странственных положениях и в труднодоступных местах, например, внутри ва- куумных приборов через окна, прозрачные для лазерного излучения; возмож- ность вести сварку без присадочного материала; сварка тонкостенных и миниа- тюрных деталей, возможность сварки традиционно несвариваемых материалов.

64
Лазерная сварка цветных металлов с успехом заменяет им процесс пайки.
Исключается необходимость использования дорогостоящих припоев. Кроме то- го, процесс лазерной сварки более экологически чист, чем пайка, так как не требуется применение флюсов.
К недостаткам лазерной сварки можно отнести необходимость повышен- ной точности, как подгонки деталей, так и позиционирования свариваемых де- талей относительно луча лазера.

65
Ультразвуковые колебания обладают способностью отражаться, прелом- ляться. Ультразвук можно сфокусировать и получить в ограниченном объеме пространства мощное поле излучения. Клочок ваты, внесенный в такое ультра- звуковое поле, сгорает в течение нескольких секунд, а стальные стружки за 1 минуту раскаляются докрасна. Такое мощное ультразвуковое поле позволяет воздействовать на вещество, менять его свойства, форму и размеры.
Основные сведения о колебаниях.
1. Системы с сосредоточенными постоянными.
Рассмотрим колебания простейшей системы, состоя- щей из груза, подвешенного на пружине (рис. 4.1). Будем считать, что вся масса системы М сосредоточена в некото- рой материальной точке, а пружина обладает только упру- гостью D. Такое представление является приближенным, так как на самом деле груз обладает упругостью, а часть массы всей системы принадлежит пружине.
Если пренебречь силой тяжести, то в системе будут действовать 2 силы: сила инерции Р
и
и сила упругости Р
у
:
,
DU
Р
;
dt
U
d
М
Р
у
2
и
=
=
(4.1) где U — смещение материальной точки; t — время.
Уравнение движения имеет вид:
0
DU
dt
U
d
М
2
=
+
(4.2)
Обозначив
,
M
D
2 0
=
ω
получим
0
U
dt
U
d
2 0
2 2
=
+
ω
(4.3)
Решим уравнение при начальном условии U(0) = А: t
cos
A
U
0
ω
⋅
=
. (4.4)
Зависимость (4.4) описывает незатухающие колебания (рис.4.2) с ампли- тудой A и круговой частотой ω
0
. Величина ω
0
зависит только от массы М и уп- ругости D.
Т
D
U
0 t
Рис.4.2. Свободные колебания в системе без потерь
D
М
Рис. 4.1. Система с сосредоточенными постоянными

66
Если Т — период колебаний, то
(
)
(
)
T
t cos
A
t cos
A
0
−
ω
⋅
=
ω
⋅
(4.5)
Для выполнения этого равенства аргументы должны отличаться на 2π, т.е.
,
2
t
)
T
t
(
0 0
π
=
ω
−
+
ω
(4.6) отсюда
T
2 0
π
=
ω
. (4.7)
Поскольку частота колебаний f обратно пропорциональна периоду коле- баний Т, то f
2 0
⋅
π
=
ω
(4.8)
В реальной колебательной системе всегда существуют потери энергии.
Можно принять, что сила трения пропорциональна скорости: r
dt dU
P
r
⋅
=
, (4.9) где Р
r
— сила трения; r — коэффициент пропорциональности.
Тогда уравнение движения принимает вид:
0
DU
dt dU
r dt
U
d
M
2 2
=
+
⋅
+
⋅
. (4.10)
Обозначив
δ
= 2
M
r
, получим
0
U
dt dU
2
dt
U
d
2 0
2 2
=
⋅
ω
+
⋅
δ
+
. (4.11)
Решим уравнение (4.11) при начальных условиях U(0)=A и для случая малых потерь
(
)
t cos e
A
U
2 2
0
t
δ
−
ω
⋅
=
δ
−
(4.12)
На рисунке 4.3 показана зависимость смещения от времени, описываемая выражением (4.12). Мы получили затухающие колебания, амплитуда которых уменьшается с возрастанием времени по экспоненциальному закону.
Чтобы получить незатухающие колебания в системе с потерями, нужно приложить к системе возмущающую силу. Если на систему действует сила Р t
cos
P
P
m
ω
⋅
=
, (4.13) где P
m
— амплитуда возмущающей силы; ω — круговая частота возмущающей силы, то

67
t cos
P
DU
dt dU
r dt
U
d
M
m
2 2
ω
⋅
=
+
⋅
+
⋅
(4.14) t
0
U
A
• e
- d t
Рис.4.3. Затухающие колебания
Решим это соотношение:
)
t cos(
A
U
ϕ
+
ω
⋅
=
, (4.15) где
ϕ — угол сдвига фаз между силой и смещением.
Выражение (4.15) описывает вынужденные колебания. Последние всегда происходят на частоте вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колеба- ний:
2 2
m r
)
D
M
(
P
A
+
ω
−
ω
⋅
ω
=
(4.16)
На рисунке 4.4 показана зависимость амплитуды А от частоты ω. Эта за- висимость имеет экстремальный характер.
Максимальное значение амплитуды при выполнении равенства
M
D
M
=
⋅
ω
, откуда
ω
=
ω
D
. (4.17)
Сравнивая это выражение с соотношением (4.7), можно заметить, что максимум амплитуды будет при совпадении частоты вынужденной силы с соб- ственной частотой системы. Это явление называется резонансом. r
1 r
2 r
3 r
1
< r
2
< r
3 w
0 w
0
A
Рис.4.4. Амплитудно-частотная характеристика

68
Введем понятие механического сопротивления z. Сопротивление z равно отношению амплитудных значений силы и колебательной скорости: m
m v
P
z
=
(4.18)
Это выражение носит название механического закона Ома.
Если смещение амплитуды определяется уравнением (4.16), то скорость
V и ускорение a
будут:
);
t sin(
A
v
ϕ
+
ω
⋅
⋅
ω
−
=
(4.19)
).
t cos(
A
a
2
ϕ
+
ω
⋅
⋅
ω
−
=
(4.20)
Используя формулы (4.7), (4.13), (4.15),(4.20), получаем амплитудные значения:
A
v
;
A
r
P
;
DA
P
;
A
M
P
m rm уm
2
Иm
⋅
ω
−
=
⋅
ω
⋅
−
=
=
⋅
ω
⋅
−
=
(4.21)
Тогда составляющие сопротивления: r
z
;
D
z
;
M
z r
у
И
=
ω
−
=
⋅
ω
=
(4.22)
В то время, как сопротивление потерь определяет потери, находящиеся в фазе со скоростью, инерционная и упругая составляющие потерь сдвинуты от- носительно скорости на угол
π/2. Соответственно инерционная и упругая со- ставляющие представляют потери, не связанные с необратимым рассеиванием энергии. Составляющая сопротивления z
r
определяет диссипативные потери и называется активным сопротивлением.
Используя выражение (4.22),получаем
2
r
2
z
)
D
M
(
z
+
ω
−
ω
=
, (4.23) из равенства (4.22) получаем зависимость, аналогичную уравнению (4.16):
2
r
2
у
И
m m
z
)
z z
(
P
v
+
−
=
. (4.24)
Последнее уравнение позволяет определить резонансную частоту колеба- ний, как частоту, при которой реактивная составляющая потерь обращается в ноль, т.е. сопротивление становится чисто активным. Если рассматривать сис- тему без потерь z
r
= 0, то условие резонанса будет таким: z = 0.
2. Системы с распределенными параметрами.
Всякое возмущение в среде распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Скорость распространения упругих волн в теле это и есть скорость звука.
Если частота изменения силы такова, что сила изменит свою величину раньше, чем возмущение достигнет конца тела, то различные части тела будут