ВИВЧЕННЯ ЛАЗЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ПРОЦЕСАХ ОБРОБКИ МЕТАЛЕВИХ МАТЕРІАЛІВ СТУДЕНТАМИ СПЕЦІАЛЬНОСТІ 014 СЕРЕДНЯ ОСВІТА (ТРУДОВЕ НАВЧАННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЇ)

Центральноукраїнський державний педагогічний університет імені Володимира Винниченка

Ткачук Андрій

Одним з компонентів освітньо-професійної програми "Середня освіта (Трудове навчання та технології)" першого (бакалаврського) рівня вищої освіти, за якою організовує освітню діяльність кафедра теорії та методики технологічної підготовки, охорони праці та безпеки життєдіяльності Центральноукраїнського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка, є навчальна дисципліна "Виробництво та обробка конструкційних матеріалів: Основні процеси обробки матеріалів (металевих матеріалів)". В процесі вивчення даної дисципліни, студенти на другому курсі опрацьовують навчальний матеріал по таким основним темам, як: "Ливарне виробництво", "Технологія обробки тиском", "Прокат і його виробництво", "Кування", "Гаряче об’ємне штампування", "Холодне штампування", "Зварювальне виробництво", "Механічна обробка металів", "Електрофізичні і електрохімічні методи обробки".

В той же час, розвиток сучасних передових технологій обробки конструкційних матеріалів з мінімальним карбоновим слідом, високою продуктивністю, точністю, економією енергії і матеріалів та екологічною безпекою підприємства, зумовлює вдосконалення освітнього процесу студентів бакалаврату в контексті більш детального вивчення саме лазерних технологій як для поверхневої (лазерне наплавлення (напилення), легування, відпал (відпустка), зміцнення без та з фазовим переходом, амортизація поверхні, гравіювання, маркування, шокове зміцнення та ін.), так і для "об'ємної" (різка, вирізання заготовок (розкрій), пробивка отворів, зварювання, пайка та ін.) обробки металевих матеріалів [1; 2; 3].

Саме тому, при вивченні даного питання, студентам наголошується, що технології обробки металів з використанням лазерів дають можливість здійснення процесів, що недоступні більшості інших технологій при повній автоматизації та високій продуктивності в усіх можливих супутніх середовищах (повітрі, газових сумішах, рідинах (воді) й навіть в космосі). Лазерна обробка різноманітних матеріалів, на відміну від електронно-променевої, проводиться без ізоляції зразків у вакуумі, та не призводить до залишкового рентгенівського випромінювання від обробленої деталі [4; 5].

Основною робочою частиною лазерних установок є надзвичайно вузький (діаметром ~0,003-0,3 мм), інтенсивний пучок когерентного, монохроматичного, поляризованого електромагнітного випромінювання (ультрафіолетового, видимого чи інфрачервоного) високої енергії, що виробляється спеціальним квантовим генератором, з активним (робочим) середовищем в газовому, рідинному чи твердотільному агрегатному стані та електронною, хімічною, оптичною чи тепловою накачкою [1; 2; 3].

При дії лазерного променя на поверхню металу (металевого сплаву) відбувається перетворення енергії його електромагнітної хвилі в теплову енергію електронів кристалічної ґратки в тонкому шарі товщиною 10-6 см за час 10-11 с, що призводить до локального нагрівання, плавлення чи випаровування матеріалу. Більшість металів та сплавів випаровується вже при інтенсивності потужності випромінювання ~1-3 МВт/см2 [1].

В термічних видах лазерних технологічних процесів (різці, пробивці отворів, закалюванні, наплавленні, зварюванні та ін.) застосовується випромінювання інтенсивністю 104-107 Вт/см2 та більше, що дозволяє миттєво нагрівати (пропалювати) і охолоджувати матеріал на локальній ділянці обробки, не піддаючи тепловій деформації всю заготівку [2].

Створення технологічних лазерів потужністю в десятки й навіть сотні кіловат неперервного випромінювання та пікової потужності імпульсного випромінювання (тривалістю 10-13-10-6 с) в сотні мегават дозволяє досягти при фокусуванні цього випромінювання інтенсивності 108-1010 Вт/см2 в безперервному режимі та 1012-1017 Вт/см2 – в імпульсному. В той же час, енергетична ефективність індустріальних лазерів вже становить 20-50 %, при компактності блока генерації до 10 дм3/кВт; розвиваються гнучкі оптоволоконні системи доставки лазерного випромінювання, що органічно вписуються в будь-які автоматизовані системи [4; 5].

Таким чином, більш детальне вивчення сучасних лазерних технологій в процесах обробки матеріалів є необхідною умовою подальшого вдосконалення освітнього процесу в рамках навчальної дисципліни "Виробництво та обробка конструкційних матеріалів: Основні процеси обробки матеріалів (металевих матеріалів)" для студентів бакалаврату.

СПИСОК ДЖЕРЕЛ

1. Афанасьєва О.В., Лалазарова Н.О., Федоренко Є.П. Лазерна поверхнева обробка матеріалів: монографія. Харків : ФОП Панов А.М., 2020. 100 с.
2. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Современные технологии обработки материалов: монография. М.: Машиностроение, 2015. 304 с.
3. Власенко А.М. Матеріалознавство та технологія металів : підручник. Київ : Літера ЛТД, 2019. 224 с.
4. Інтегровані технології обробки матеріалів: підручник / Е.С. Геворкян та ін. Харків: УкрДУЗТ, 2016. 238 с.
5. Пупань Л.І. Лазерні технології у машинобудуванні : навч. посібник. Харків: НТУ "ХПІ", 2020. 109 с.