Теоретические основы лазерной обработки

Московский государственный технический университет
 имени Н.Э. Баумана

А.В. Богданов, А.И. Мисюров, Н.А. Смирнова

Теоретические основы лазерной
обработки

Под редакцией А.Г. Григорьянца

Методические указания к лабораторным работам

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

УДК 621.375.826
ББК 34.58
       Б72
Рецензент В.П. Морозов
Богданов А.В., Мисюров А.И., Смирнова Н.А.
Теоретические основы лазерной обработки: Методические указания 
к лабораторным работам / Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 23 с.: ил.
ISBN 5-7038-2844-9
В методических указаниях содержатся описания четырех лабораторных 
работ, посвященных выбору и созданию моделей тепловых процессов
лазерной обработки с применением аналитических методов расчета, установлению 
показателя технологической прочности сплавов при фазовых и
структурных превращениях.
Для студентов старших курсов специальности «Машины и технология
высокоэффективных процессов обработки материалов», изучающих дисциплину «
Теоретические основы лазерной обработки».
Табл. 1. Библиогр. 4 назв.

УДК 621.375.826
                                                  ББК 34.58

 ISBN 5-7038-2844-9      
        
©
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Б72

Работа № 1. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ
МОЩНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ УСТАНОВОК С ПОМОЩЬЮ
КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА

Цель работы – определение эффективного КПД процесса лазерной 
сварки; исследование зависимости эффективного КПД
процесса сварки от его параметров; сравнение эффективностей
использования энергии лазерного луча с длинами волн 1,06 и
10,6 мкм с помощью калориметрического метода.

Теоретическая часть

Эффективность процесса сварки (в том числе и лазерной) характеризуют 
тремя энергетическими КПД [1]:
эффективный КПД сварки – отношение энергии, вложенной в
материал, ко всей подведенной к нему энергии;
термический КПД показывает, какая часть поступившей в металл 
теплоты идет на плавление металла;
полный тепловой КПД процесса сварки равен произведению
эффективного и термического КПД.
Необходимость определения КПД процесса сварки связана в
первую очередь с наиболее рациональным использованием энергии 
лазерного луча [2]. Для нахождения эффективного КПД процесса 
используют калориметрический метод [3].
Эффективной тепловой мощностью называют количество теплоты, 
вводимое источником нагрева в единицу времени в обрабатываемый 
материал. Эффективную тепловую мощность определяют 

калориметрическим 
методом 
с 
помощью 
уравнения
теплового баланса
Q=Qк+Qs+Qп+Qа,

где Q – теплота, поглощенная образцом; Qк – теплота, поглощенная 
калориметром; Qs – теплота, определяющая полный запас тепловой 
энергии внутреннего состояния образца до и после опыта;
Qп – теплота, расходуемая на парообразование; Qа – тепловые потери 
вследствие теплообмена образца с окружающей средой во
время нагрева и переноса образца в калориметре. (Все величины,
входящие в уравнение, измеряются в джоулях [4].)

Теплота, поглощенная калориметром,
Qк=(М вСв+Мк.сСк.с)(Тm–Тo),
где Мв, Мк.с – масса воды в калориметре и калориметрического
сосуда соответственно, кг; Св, Ск.с – их удельные массовые теплоемкости, 
Дж/(кг·ºС): Ск.с=600 Дж/(кг·ºС); Тm – температура воды
после опыта, ºС; То – температура воды до опыта, ºС.
Теплота, определяющая полный запас тепловой энергии внутреннего 
состояния образца до и после опыта,
Qs=MобCоб(T m–T в),
где Mоб – масса образца, кг; Cоб – удельная массовая теплоемкость
металла образца, Дж/(кг·ºС); Tв – температура окружающего воздуха, 
ºС.
Теплота, расходуемая на парообразование,
Qп=Mп(Lн+L ис п),
где Mп – масса испарившейся воды, кг; Lн – теплота нагрева 1 кг
воды от 20 до 100 ºС, Lн=0,334 МДж/кг; Lисп – удельная теплота
испарения, Lисп=2,6 МДж/кг.
Потери на теплообмен с окружающей средой зависят от теплосодержания 
образца в рассматриваемый момент времени. Принимаем, 
что за время нагрева tн образца лучом лазера теплосодержание 
линейно возрастает, а за время переноса tп образца в
калориметр остается постоянным:

Qа=qb(0,5
2
нt +tнtп),

где q – эффективная тепловая мощность источника, Вт;
b=2α /(С )
δ  – коэффициент температуроотдачи, 1/с; α  – коэффициент 
полной поверхностной теплоотдачи образца, для низкоуглеродистой 
стали α =41,87 Вт/(м²·ºС); Cγ  – объемная теплоемкость

образца, для сталей (Ст3) Cγ =5,44 МДж/(м³·ºС); δ  – толщина об-

разца, м.
Эффективная тепловая мощность источника

к
п
2
н
н
н п
.
/(
)(
2
)

s
Q
Q
Q
q
t
C
t
t t

+
+
=
− α
γδ
+

Действующее значение эффективной тепловой мощности, определенное 
калориметрированием, является важнейшей объектив-

ной характеристикой режима лазерной обработки. Как было сказано 
выше, эффективный КПД процесса

ηп=q/N,

где N – мощность лазерного луча, Вт.
Из приведенных выше зависимостей ясно, что эффективный
КПД является функцией скорости обработки металла. Кроме того,
на эффективный КПД существенное влияние оказывают качество
поверхности образца, коэффициент отражения излучения лазера
металлом и коэффициент поглощения лазерного луча плазменным
факелом.

Практическая часть

А. Для опытов изготовлены образцы размером 50×50 мм и
толщиной 3 мм из низкоуглеродистой стали (пять образцов на каждый 
режим работы).
1. Образец установите на теплоизолирующую прокладку (асбест). 
Калориметр заранее заполните водой и выдерживайте в помещении 
в течение времени, необходимого для выравнивания
температуры воды с окружающей температурой, затем расположите 
его вблизи рабочего места.
2. Проплавьте или нагрейте образец лазерным лучом в заданном 
режиме, т. е. при определенной скорости перемещения образца 
и определенной мощности излучения лазера (каждой группе
студентов численностью до пяти человек задается свой режим обработки).

3. Для каждого опыта измерьте и запишите мощность лазерного 
луча, скорость перемещения образца при нагреве (время перемещения, 
измеренное секундомером, от момента открытия и закрытия 
заслонки), время переноса образца в калориметр (по
секундомеру).
4. Для каждого режима обработки (скорости и мощности лазерного 
излучения) проведите не менее десяти испытаний.
5. Измерьте изменение температуры воды в калориметре после
погружения в него образца.
6. Измените режим обработки металла. Повторите действия,
описанные в п. 2–6, для каждого режима обработки. Выполните
четыре эксперимента на различных режимах обработки.

Последовательность проведения эксперимента

1. Измерьте объем воды.
2. Налейте воду в калориметр и измерьте ее температуру.
3. Измерьте массу образца  (взвешивание для определения Мп
проводите 3–5 раз).
4. Положите образец на теплоизолирующую прокладку, укрепленную 
на технологическом столе.
5. Включите излучение лазера и измерьте его мощность.
6. Включите систему транспортировки образца.
7. В процессе обработки измерьте время воздействия излучения 
на материал.
8. После окончания проплава образец не более чем за 2 с перенесите 
пинцетом в калориметр.
9. Измерьте температуру воды в калориметре (перед погружением 
образца эта температура не должна отличаться от температуры 
окружающего воздуха более чем на 5…7 ºС, в противном случае 
рекомендуется сменить воду).
10. Измерьте объем воды после эксперимента.
11. Измерьте массу образца.
12. Занесите данные эксперимента в таблицу.
Б. Полученные в п. А данные обработайте с помощью ЭВМ.
Определите эффективный КПД и мощность.
В соответствии с заданием исследуйте влияние одного из экспериментальных 
параметров на эффективный КПД (исходные
данные задаются преподавателем).
Все  данные, полученные в результате экспериментов, занесите
в таблицу и постройте график зависимости эффективного КПД
процесса лазерной обработки от заданного технологического параметра (
скорости, мощности, фокусировки излучения).
Совместно с другими подгруппами постройте в одной системе
координат полученные зависимости. Проведите анализ полученных 
результатов. Сделайте выводы. Оформите отчет. Защитите
работу.

Работа с программой

Запустите программу. На экране дисплея появится таблица исходных 
данных и результата тестового расчета. Значение тестово-

го эффективного КПД составляет 0,7. В качестве тестового примера 
в программе предусмотрен расчет одного из возможных вариантов.

Введите данные, полученные в результате эксперимента. Программа  
контролирует правильность вводимых данных автоматически. 
После окончания редактирования исходных данных обязательно 
нажмите клавишу «Ввод» («Enter»). Результаты работы
программы приведены в нижней строке экрана.

Требования к отчету

Каждая группа студентов получает индивидуальное задание.
Отчет по работе состоит из теоретической и практической частей.
Теоретическая часть содержит методику проведения исследования. 
Экспериментальная часть включает в себя данные исследований (
таблица) и результаты обработки экспериментальных данных. 
Расчетная часть содержит таблицу и график проведенного
расчетного эксперимента по п. Б и графики зависимости эффективного 
КПД процесса от скорости обработки.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение эффективного КПД процесса лазерной
сварки.
2. Дайте определение термического КПД процесса лазерной
сварки.
3. Дайте определение полного КПД процесса лазерной сварки.
4. Что положено в основу калориметрического метода?
5. От чего зависит эффективный КПД процесса лазерной сварки?

6. Обоснуйте необходимость применения калориметра при измерениях.

7. Чем определяются границы применимости данной методики
проведения исследования?

Список литературы

1. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.:
Машгиз, 1951.

2. Технологические лазеры: В 2 т. / Г.А. Абильсиитов,
В.Г. Гонтарь, А.А. Колпаков и др.; Под общ. ред. Г.А. Абильсии-
това. М.: Машиностроение, 1991. Т. 1.
3. Богданов А.В., Григорьянц А.Г., Гаврилюк В.С. Сравнение
воздействия лазеров с длинами волн 10,6 и 1,06 мкм на металлы //
Применение лазеров в науке и технике: Тез. докл. 3-го Всесоюз.
науч.-техн. семинара. Иркутск, 1990.
4. Лабораторные работы по сварке / Под ред. Г.А. Николаева.
2-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1971.

Работа № 2.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КПД
ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

Цель работы – изучение метода определения термического
КПД процесса.

Теоретическая часть

Эффективность процесса сварки (в том числе и лазерной) характеризуют 
тремя энергетическими КПД [1]:
эффективный КПД сварки – отношение энергии, вложенной в
материал, ко всей подведенной к нему энергии;
термический КПД показывает, какая часть поступившей в металл 
теплоты идет на плавление металла;
полный тепловой КПД процесса сварки равен произведению
эффективного и термического КПД.
Необходимость определения КПД процесса сварки связана в
первую очередь с наиболее рациональным использованием энергии 
лазерного луча. Для нахождения термического КПД процесса
используют метод, изложенный в работе [2].
Термический КПД представляет собой отношение количества
теплоты, необходимой для проплавления, ко всей теплоте, введенной 
в изделие или образец [3]:

η=vFs/q,

где vFs – условное теплосодержание проплавленного за единицу
времени основного металла: v – скорость лазерной сварки при исследуемом 
режиме, м/с;  F – площадь поперечного сечения свар-

ного шва, м²; s – удельное объемное теплосодержание расплавленного 
металла (литая зона), включающее в себя скрытую теплоту
плавления, Дж/м³.
По физическому смыслу термический КПД процесса сварки
характеризует сумму потерь, обусловленных теплопереносом в
твердой фазе и перегревом жидкого металла. Исходя из этого
можно прогнозировать характер изменения ηt в зависимости от
скорости сварки. Если источник теплоты перемещается с малой
скоростью, то значительная часть энергии успевает вследствие
теплопроводности распределяться по объему металла (в том числе 
и в направлении движения источника), вызывая значительный
подогрев металла в твердой фазе, окружающей расплавленную
зону. Эффективность проплавления при этом невысока. При увеличении 
скорости сварки потери, обусловленные теплопроводностью, 
снижаются. Например, для случая проплавления тонкой
пластины линейным мощным быстродвижущимся источником
теплоты, предельный теоретический уровень термического КПД
ηt=0,484.
Независимо от уровня мощности существует область оптимальных 
режимов сварки в диапазоне 20…40 мм/с, обеспечивающих 
высокий уровень эффективности расплавления в сочетании с
высокой производительностью. Достигаемые при этом значения ηt
находятся в пределах 0,35…0,40. Они значительно превосходят
значения термического КПД, полученные традиционными способами 
дуговой сварки (0,18…0,22).

Практическая часть

1. Измерьте параметры технологического процесса сварки
(мощность луча, расходимость, скорость сварки и др.).
2. Найдите по справочнику значения теплофизических параметров 
обработанного материала.
3. Ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации микроскопа.
4. Установите образец на предметный столик микроскопа.
5. Настройте микроскоп на максимальное увеличение, позволяющее 
видеть все поперечное сечение самого большого шва.
6. Измерьте ширину, глубину и площадь поперечного сечения
швов с помощью измерительной сетки, встроенной в микроскоп.
7. Рассчитайте площадь поперечного сечения шва (литая зона).

8. Постройте график зависимости термического КПД от одного
из параметров технологического процесса (скорости сварки, мощности 
излучения) в соответствии с заданием.
9. Оцените погрешность излучения.

Требования к отчету

Каждая группа студентов получает индивидуальное задание.
Отчет по работе состоит из теоретической и практической частей.
Теоретическая часть содержит методику проведения исследования. 
Экспериментальная часть включает в себя: данные исследований 
в виде таблицы, в которой представлены ширина, глубина и
площадь поперечного сечения шва; результаты обработки экспериментальных 
данных; график зависимости термического КПД
процесса от параметров режима обработки.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение эффективного КПД процесса лазерной
сварки.
2. Дайте определение термического КПД процесса лазерной
сварки.
3. Дайте определение полного процесса лазерной сварки.
4. Как определить термический КПД лазерной сварки?
5. От чего зависит термический КПД процесса лазерной сварки?

6. Каким может быть максимальное значение термического
КПД?
7. В каком случае можно определить площадь поперечного сечения 
шва как произведение глубины и ширины шва?

Список литературы

1. Технологические лазеры: Справ.: В 2 т. Т. 1 / Г.А. Абильси-
итов, В.Г. Гонтарь, А.А. Колпаков и др.; Под общ. ред. Г.А.
Абильсиитова. М.: Машиностроение, 1991.
2. Лабораторные работы по сварке / Под ред. Г.А. Николаева.
2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1971.