6. Bố cục của luận án
2.3.6Đặc tính nhiệt
Hiệu quả của việc cắt laser phụ thuộc vào khả năng hấp thụ năng lượng tới vật liệu, các đặc tính nhiệt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng cắt của tia laser và chất lượng của quá trình cắt. Khả năng phản xạ cao của một số kim loại với ánh sáng laser có thể dẫn đến những khó khăn khi bắt đầu và duy trì quá trình cắt. Trong quá trình cắt kim loại nhiệt được truyền nhanh chóng từ mặt rãnh cắt tới vùng lân cận, do đó cần phải có mức công suất cao hoặc vận tốc cắt thấp để duy trì năng lượng tại vùng cắt. Tuy nhiên, việc giảm vận tốc cắt gây ra sự không ổn định có thể dẫn đến các vùng nóng chảy bất thường, chất lượng cắt kém. Vì vậy đối với vật liệu có giá trị nhiệt dung riêng cao và có nhiệt độ nóng chảy lớn cần năng lượng lớn để thực hiện cắt [77]
a) Phương trình truyền nhiệt tổng quát [2]
Dựa vào định luật 1 của nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt trong không gian 3 chiều có dạng: 𝜌 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑐(𝑇)𝑑𝑇 𝑇 𝑇0 = 𝜕 ∂x[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂x] + 𝜕 ∂y[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂y] + 𝜕 ∂z[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂z] + Q(x, y, z) (2.17)
ở đây: khối lượng riêng của vật liệu chi tiết;
c(T) nhiệt lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu;
k(T) hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ;
Q(x,y,z) sự tiêu thụ nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích vật rắn trong một đơn vị thời gian;
49
T = T(x,y,z,t) sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu phụ thuộc vào thời gian trong không gian 3 chiều;
T thời gian;
To nhiệt độ ban đầu;
x, y, z tọa độ Đề - các. Với mỗi ứng dụng cụ thể có thể thừa nhận k(T) và c(T) không thay đổi đột biến với nhiệt độ. Bởi vậy, thừa nhận nhiệt độ riêng và hệ số dẫn nhiệt là hằng số trong từng khoảng thời gian cụ thể, phương trình (2.17) có thể viết như sau:
𝜌𝑐𝜕𝑦 𝜕𝑥 = k∇
2𝑇 + 𝑄 (2.18)
b) Điều kiện biên của sự truyền nhiệt [2]
Thực nghiệm chỉ ra rằng có 3 dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Sự đối lưu và bức xạ chỉ xảy ra trên biên giới chi tiết.
Tổn thất nhiệt độ do đối lưu trên đơn vị diện tích bề mặt của chi tiết bởi các điều kiện dòng chảy ngoài là:
𝑞𝑐 = ℎ𝑐(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.19)
ở đây: qc thông lượng nhiệt đối lưu; hc hệ số truyền nhiệt đối lưu; T nhiệt độ chi tiết;
Tamb nhiệt độ môi trường. ℎ𝑐 = 𝑁𝑢𝐾𝑘𝑘
𝐿 (2.20)
trong đó: Kkk - hệ số dẫn nhiệt của chi tiết xung quanh chi tiết Nu = 0,27𝑅𝑎0.25
Ra - hệ số Rayleigh, 𝑅𝑎 = 𝑔𝛽
𝑘𝛾𝐿3(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) L - Chiều dài đặc trưng của chi tiết, L = A/P A - diện tích của chi tiết, P: chu vi chi tiết Thông lượng nhiệt gây ra bởi bức xạ là:
𝑞𝑟 = 𝜀𝜎(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.21)
ở đây: độ phát xạ của vật liệu;
50