eng
Выпуск #6/2021
А. Б. Люхтер, В. И. Криворотов, К. В. Скворцов
Двухуровневая методика оценки эксплуатационной надежности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от лазерного воздействия
Двухуровневая методика оценки эксплуатационной надежности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от лазерного воздействия
Просмотры: 1365
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.6.454.472
Выполнение обязательных требований лазерной безопасности, указанных в отечественной и мировой нормативной документации, является важнейшим фактором, определяющим широкое внедрение в промышленное производство лазерных комплексов, установок и систем, а также технологий лазерной обработки. В 2020 году целый ряд нормативных документов РФ утратил правовую силу, в частности СН 5804-91, СанПиН 2.2.4.3359-16 и др. Однако важность и актуальность решения проблемы обеспечения условий безопасной эксплуатации лазерного оборудования на отечественных предприятиях, невзирая на отсутствие этих документов в нормативно-правовом поле РФ, не вызывает сомнений. В новых проектах при разработке эксплуатационных документов лазерный генератор без средств коллективной защиты (кабин, кабинетов и др.) по-прежнему продолжают относить к 4‑му классу опасности [1–9]. При работе лазерных роботизированных комплексов (ЛРК) не исключена вероятность возникновения опасных и аварийных ситуаций: образование мощного отраженного лазерного излучения (ЛИ) от обрабатываемой поверхности; выход ЛИ за пределы обрабатываемой детали / области обработки в сторону вероятного нахождения персонала (прожиг обрабатываемой детали, неточность позиционирования, сбой программы управления). При возникновении аварийных ситуаций высока вероятность нанесения тяжелого вреда здоровью рабочего персонала лазерным излучением. По мнению авторов настоящей работы, ссылаясь на собственный опыт, а также публикации других исследователей [5–7, 10–13], лазерный генератор, используемый в составе лазерных систем (установок, комплексов и др.), оборудованный средствами коллективной активной защиты, можно с достаточным обоснованием отнести к 1‑му классу опасности.
Выполнение обязательных требований лазерной безопасности, указанных в отечественной и мировой нормативной документации, является важнейшим фактором, определяющим широкое внедрение в промышленное производство лазерных комплексов, установок и систем, а также технологий лазерной обработки. В 2020 году целый ряд нормативных документов РФ утратил правовую силу, в частности СН 5804-91, СанПиН 2.2.4.3359-16 и др. Однако важность и актуальность решения проблемы обеспечения условий безопасной эксплуатации лазерного оборудования на отечественных предприятиях, невзирая на отсутствие этих документов в нормативно-правовом поле РФ, не вызывает сомнений. В новых проектах при разработке эксплуатационных документов лазерный генератор без средств коллективной защиты (кабин, кабинетов и др.) по-прежнему продолжают относить к 4‑му классу опасности [1–9]. При работе лазерных роботизированных комплексов (ЛРК) не исключена вероятность возникновения опасных и аварийных ситуаций: образование мощного отраженного лазерного излучения (ЛИ) от обрабатываемой поверхности; выход ЛИ за пределы обрабатываемой детали / области обработки в сторону вероятного нахождения персонала (прожиг обрабатываемой детали, неточность позиционирования, сбой программы управления). При возникновении аварийных ситуаций высока вероятность нанесения тяжелого вреда здоровью рабочего персонала лазерным излучением. По мнению авторов настоящей работы, ссылаясь на собственный опыт, а также публикации других исследователей [5–7, 10–13], лазерный генератор, используемый в составе лазерных систем (установок, комплексов и др.), оборудованный средствами коллективной активной защиты, можно с достаточным обоснованием отнести к 1‑му классу опасности.
Теги: laser technological equipment; active-protection modular cabins reflected and scattered radiation of laser impact; magnetometric
Двухуровневая методика оценки эксплуатационной надежности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от лазерного воздействия
А. Б. Люхтер , В. И. Криворотов, К. В. Скворцов
Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых
ООО НТО «ИРЭ-Полюс»
Владимирский юридический институт Федеральной службы исполнения наказаний (ВЮИ ФСИН России)
Выполнение обязательных требований лазерной безопасности, указанных в отечественной и мировой нормативной документации, является важнейшим фактором, определяющим широкое внедрение в промышленное производство лазерных комплексов, установок и систем, а также технологий лазерной обработки. В 2020 году целый ряд нормативных документов РФ утратил правовую силу, в частности СН 5804-91, СанПиН 2.2.4.3359-16 и др. Однако важность и актуальность решения проблемы обеспечения условий безопасной эксплуатации лазерного оборудования на отечественных предприятиях, невзирая на отсутствие этих документов в нормативно-правовом поле РФ, не вызывает сомнений.
В новых проектах при разработке эксплуатационных документов лазерный генератор без средств коллективной защиты (кабин, кабинетов и др.) по-прежнему продолжают относить к 4‑му классу опасности [1–9]. При работе лазерных роботизированных комплексов (ЛРК) не исключена вероятность возникновения опасных и аварийных ситуаций: образование мощного отраженного лазерного излучения (ЛИ) от обрабатываемой поверхности; выход ЛИ за пределы обрабатываемой детали / области обработки в сторону вероятного нахождения персонала (прожиг обрабатываемой детали, неточность позиционирования, сбой программы управления). При возникновении аварийных ситуаций высока вероятность нанесения тяжелого вреда здоровью рабочего персонала лазерным излучением. По мнению авторов настоящей работы, ссылаясь на собственный опыт, а также публикации других исследователей [5–7, 10–13], лазерный генератор, используемый в составе лазерных систем (установок, комплексов и др.), оборудованный средствами коллективной активной защиты, можно с достаточным обоснованием отнести к 1‑му классу опасности.
Статья получена: 04.06.2021
Статья принята: 20.08.2021
Целью настоящей работы является отработка и применение двухуровневой методики оценки эксплуатационной надежности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от несанкционированного лазерного воздействия при выполнении ее функциональных свойств.
В работе представлены результаты испытаний разработанной модульной защитной кабины, оснащенной системой аварийного отключения лазерного излучения (САОЛИ). МКАЗ создана в качестве средства коллективной защиты [8] от несанкционированного воздействия ЛИ при размещении в ее пространстве лазерных технологических комплексов для различных технологических процессов лазерной обработки (сварки, наплавки, упрочнения и др.).
По оснащенности средствами защиты МКАЗ обладает несомненными преимуществами по сравнению с защитными кабинами пассивного исполнения (без активной защиты).
Суть специально разработанной расчетно-экспериментальной двухуровневой методики оценки эксплуатационной надежности МКАЗ состоит в следующем. На первом уровне методики проводятся испытания на эффективность работы САОЛИ генератора непрерывного лазерного излучения максимальной мощностью 6 кВт.
На втором уровне проводилось исследование результата воздействия ЛИ на структурные и физико-механические характеристики металлических панелей, напряженное состояние, а также эксплуатационные свойства элементов МКАЗ, то есть проводилась оценка правомерности заложенных при проектировании и изготовлении кабины конструктивных технических решений.
Основные положения принципа работы САОЛИ состоят в формировании аварийного сигнала отключения источника лазерного излучения для предотвращения распространения ЛИ за пределы МКАЗ. Данная задача решается посредством расположения чувствительного элемента датчика в пространстве между стенками панели (рис. 1). При попадании прямого лазерного излучения на переднюю стенку панели происходит ее разогрев с последующим прожигом. Прямое, отраженное или диффузно-рассеянное (переотраженное) лазерное излучение, спектр которого попадает в диапазон чувствительности применяемого фотодиода, прошедшее в результате прожига во внутреннюю полость панели МКАЗ, регистрируется модулем САОЛИ. Схема управления фильтрует и усиливает фототок, а затем формирует релейный сигнал для цепей безопасности лазерной установки.
Таким образом, САОЛИ обеспечивает на лазерном оборудовании 4‑го класса опасности формирование аварийного сигнала отключения источника лазерного излучения, исключающего его распространение за пределы кабины. Соответственно лазерный технологический комплекс (ЛТК), имеющий подобную надежную кабинную защиту от выхода луча за пределы корпуса, можно отнести под определение лазерных изделий 1‑го класса опасности.
Испытания эффективности проводили по программе, регламентирующей порядок проведения испытаний в соответствии с выбранными режимами эксперимента. На первом уровне методики экспериментально определялась надежность системы САОЛИ на МКАЗ оборудования для лазерной наплавки. Эффективность экстренного автоматического отключения лазерного излучения определяли при работающем лазерном генераторе непрерывного действия максимальной мощностью 6 кВт с волоконной оптической системой и фокусным расстоянием 250 мм.
Методика первого уровня предписывала проведение операций в следующей последовательности с учетом выбранного положительного результата испытания – отсутствия сквозного отверстия в задней стенке панели МКАЗ:
Согласно методике испытаний диапазон расстояний от панели до оптической головки ЛТК (L) равнялся одному (F), трем (3F) и пяти (5F) фокусным расстояниям оптической системы.
Испытание на каждом из расстояний повторялся не менее пяти раз. Режимы и результат воздействия лазерного излучения на панели МКАЗ представлены в табл. 1. Изображения панелей после испытаний представлены на рис. 2.
В результате тщательного осмотра задней стенки панели МКАЗ не выявлено сквозных отверстий и следов теплового воздействия, что является свидетельством того, что лазерное излучение не выходило за ее пределы. Исключением являлся прожег передней и задней панелей с отключеной САОЛИ (рис. 2 а).
В ходе проведенных испытаний установлено, что САОЛИ, с очень высокой степенью вероятности, выполняет аварийное отключение лазерного генератора от сетевого питания, что обеспечивает высокую эффективность активной защиты на серийных комплексах лазерной обработки с МКАЗ.
Известно, что для незащищенных средствами индивидуальной защиты органов зрения и участков кожи, большую опасность может представлять отраженное и диффузно рассеянное лазерное излучение [9–13]. Эти виды излучений способны проникать за пределы защитной кабины через зазоры, щели между стойками, панелями и др. ее элементами, что существенно снижает уровень защитных свойств кабины.
Поэтому на втором уровне методики проводили исследование особенностей воздействие лазерного излучения (прямого и отраженного) и оценку степени влияния тепловых эффектов от прямого лазерного излучения на напряженное состояние конструктивных элементов и металлоконструкции МКАЗ в целом на протяжении заданного расчетного времени ее эксплуатации. Прежде всего для определения показателей напряженного состояния с целью исключить воздействие механических и тепловых факторов, вызывающих возникновение остаточных деформаций в виде «поводок», «коробления» и др. макро- и микроразмерных искажений и несовершенств, снижающих эффективность защитных (эксплуатационных) свойств отдельных сборочных элементов и кабины в целом.
Увеличение напряжений в металлоконструкции панелей кабины способствует возникновению искажений формы и потери размеров, образованию зазоров, щелей и др. несовершенств, что недопустимо. Известно, что между химическим составом ферромагнитных материалов и значением их коэрцитивной силы Нс существует достаточно устойчивая взаимосвязь [14]. Чтобы установить эту зависимость для материала исследуемых панелей МКАЗ, отбирали образцы (5 шт.) и определяли химический состав металла оптико-эмиссионным методом на анализаторе Magellan Q‑8. Результаты определения химического состава образцов панелей представлены в табл. 2.
По результатам определения химического состава металла панелей с использованием формул, предложенных Н. Д. Богачевой [14], выполняли предварительные расчеты теоретического среднего значения коэрцитивной силы (Нс). При расчетах использовали среднее количественное содержание элементов (С, Si, Mn, Cr и Ni) в стали. Результаты расчетов, выполненных по формуле (1), представлены в табл. 3.
Hc = KC ∙ C% + KSi ∙ Si% + KMn ∙ Mn% + KCr ∙ Cr% + KNi ∙ Ni%. (1)
В формуле (1): KC, KSi, KMn, KCr, KNi– эмпирические коэффициенты (таблица 3) перед содержанием в стали соответствующих элементов (в %).
Нс = (16 ∙ 0,07) + (2 ∙ 0,012) + (0,9 ∙ 0,289) +
+ (0,6 ∙ 0,014) + (3 ∙ 0,015)
1,12 + 0,024 + 0,26 = 1,46 ≈ 1,5 А / см.
То есть ориентировочное среднее (ожидаемое) значение Нс исследуемого металлопроката в пределах марочного состава стали 08Ю в исходном состоянии составляет Нс = 1,5 А / см (табл. 3).
Полученное расчетное значение Нс использовали в качестве достоверного первичного информационного параметра, в том числе для последующей оценки напряженного состояния.
Для определения механических свойств и напряженного состояния элементов и МКАЗ в целом использовали современные методы неразрушающего магнитометрического контроля, металлографического и структурного анализа, статистической обработки данных, совместно с механическими испытаниями, измерением твердости и др.
Панель МКАЗ (внутреннюю и наружную стороны) условно разделяли на участки по степени воздействия лазерного излучения и соответствующе маркировали (рис. 2b, c). Чтобы исключить распространение диффузнорассеянного лазерного излучения внутрь панели через образованные прожогом отверстия, их, перед каждым последующим включением лазера, закрывали (заглушали) непрозрачным скотчем. Таким образом, повышали достоверность определения облученности при экспериментах.
По окончании экспериментов по оценке эффективности срабатывания САОЛИ проводили измерение значений Нс на внутренней (со стороны нахождения датчика) и наружной стороне панели на заранее размеченных участках (рис. 2б, в). После измерений Нс из панели отбирали образцы для дальнейших исследований металлографической структуры, а также напряженного состояния металла панелей МКАЗ.
Макроструктурный металлографический анализ выполняли на шлифах, изготовленных из темплет, отобранных из характерных участков панели после лазерного облучения с различной мощностью, фокусным расстоянием и продолжительностью (длительностью воздействия), а также после измерения значений Нс металла панели. Общий вид отдельных макрошлифов и панорама зоны теплового воздействия лазерного излучения с характерным типом макро- и микроструктур представлен на рис. 3. На рис. 3а видны следы (участки темного цвета), характеризующие последствия теплового (термического) воздействия прямого лазерного излучения на исследуемую стенку панели.
Это вызывает пережог границ зерен (рис. 3b) и в конечном итоге прожог всей толщины панели кабины (рис. 3c). Хорошо заметны характерные отдельные области с видимыми структурными искажениями (пережогом) границ зерен, а также вполне различимы близко расположенные участки самих зерен, вызванные воздействием лазерного излучения.
Следует отметить, что, по мере приближения к зонам оплавления (около прожога) или непосредственно вблизи сквозного прожога исследуемой панели, результаты проявления этих воздействий на структурные изменения заметно усиливаются. Это выражается прежде всего тем, что сами границы зерен искажены «пережогом» и, как следствие, потерей механической прочности металла (рис. 3 b; c).
Микроструктурный анализ, чтобы повысить достоверность результатов и обеспечить идентификацию образцов, взятых от стенки панели, проводили на микрошлифах, полученных из темплет, которые использовали для изготовения макрошлифов. Подготовку микрошлифов (запрессовку, шлифование, полировку и др.) осуществляли на комплексе оборудования фирмы Struers (Дания). Травление микрошлифов осуществляли в 20% – ом спиртовом растворе азотной кислоты. Микроструктура стали 08Ю до и после воздействия лазерного излучения (ЛИ) представлена на рис. 4. Размер зерна определяли с помощью микроскопа OlympusGX51 (Япония). Измерение величины зерна проводили с использованием специальной программы SIAMS∆, а также методом секущей при двухсоткратном увеличении изображения [23, 24].
Микроструктура стали 08Ю до (а) и после (b) воздействия лазерного излучения представлена на рис. 4. Из рис. 4а следует, что в исходном (до воздействия ЛИ) состоянии структура металла панели характерна для сталей типа 08Ю в нормализованном состоянии.
Средний размер зерна равен 0,013 мм (13 мкм). В зоне воздействия прямого лазерного излучения на участках, расположенных в непосредственной близости от сквозных отверстий, образованных в результате прожога исследуемой панели, микроструктура имеет характерный вид термически обработанного металлического материала. Заметно увеличение размера зерна на этих участках, в среднем, от 0,013 мм (13 мкм) с наличием отдельных фрагментов с до 0,1 мм (100 мкм) (рис. 4b).
Параллельно с металлографическими исследованиями структуры в зонах теплового воздействия лазерного излучения, на микрошлифах определяли микротвердость металла кабины [25, 26]. Микротвердость определяли при помощи микротвердомера DuraScan 20 (EmcoTest – Австрия) при нагрузке 100 грамм. Микротвердость на исследуемых участках панели в исходном (до теплового воздействия ЛИ) состоянии составляла в среднем HV0,1 = 100. Микротвердость на участках, подвергшихся воздействию лазерного излучения, в зависимости от близости к зоне сквозного прожога, значительно выше (в 1,3−1,9 раз) и составляла HV0.1 = 130−190. Это свидетельствует также об увеличении напряжений в металле панели после лазерного воздействия [27–30]. График распределения микротвердости по длине образца (рис. 5а) в зависимости от места расположения от сквозного отверстия (прожога) на исследуемой панели и структура образца представлены на рис. 5b. Из графика (рис. 5а) следует, что от воздействия прямого лазерного излучения средние значения микротвердости металла с приближением в сквозному отверстию, образованному в результате прожога панели, повышаются.
Увеличивается таже неравномерность распредления значений микротвердости по сечению, имеются отдельные участки с видимыми структурными искажениями, вызванными термическим воздействием (пережогом) границ зерен. По неравномерности распредления значений микротвердости на измеренных участках, соответствующих исходной структуре, переходной зоне и зоне сквозного прожога, можно судить о неоднородности напряженного состояния на этих участках.
С учетом рекомендаций авторов работ [31, 32] выполняли построение полей теплового (термического) воздействия на металл панели в данных экспериментах. На схеме (рис. 6) представлено изображение полей изотерм, характеризующих типичное тепловое воздействие лазерного излучения при стационарном нагреве. Из результатов расчетно-экспериментальных исследований следует, что напряжения от теплового (термического) воздействия лазерного излучения не превосходят значение предела прочности металла панелей МКАЗ (стали 08Ю). Это не допускает возникновение критических деформаций от теплового воздействия лазерного излучения, способных привести к искажению (поводкам) формы панели, вызывающих неплотное прилегание панелей к элементам каркаса кабины. И, следовательно, практически исключает возможность распространения через щели, зазоры и др. несплошности между панелями и стойками (элементами) каркаса отраженного и диффузнорассеянного лазерного излучения за пределы кабины.
Полученную номограмму (рис. 6) использовали для изучения особенностей теплового воздействия лазерного излучения на конструктивные элементы панели защитной кабины. Данные номограммы учитывали при отборе проб и вырезке из характерных участков панели образцов, для изготовления макро- и микрошлифов и последующего металлографического исследования, определения твердости, а также проведения механических испытаний.
Для определения физико-механических свойств металлопроката и уровня напряжений на отдельных участках и кабины в целом использовали специальную методику магитометрического контроля, основанную на измерении коэрцитивной силы металла, поскольку и между химическим составом ферромагнитного материала, его механическими свойствами, структурным, напряженным состоянием и коэрцитивной силой также существует достаточно устойчивая взаимосвязь [19–22]. В свою очередь, и механические свойства в значительной мере определятся химическим составом материала, его состоянием после термомеханического воздействия (например прокатки, ковки и др. и видов термообработки: закалки, нормализации, улучшения, отжига и др.). Это позволяет провести предварительные расчеты Нс и использовать их в дальнейшем при оценке напряженного состояния элементов, панелей и в целом МКАЗ.
Измерения значений коэрцитивной силы выполняли с помощью коэрцитиметра (магнитного структуроскопа) КРМ-К2Ц-М разработки научно-производственной фирмы «Специальные Научные Разработки» (СНР). Измерения выполняли в соответствии с требованиями РД ИКЦ «КРАН» – 007-97 / 02 [22] и Руководства по эксплуатации прибора КРМ-Ц-К2М.
Значения Нс, измеренные на отдельных карточках – заготовках перед вырезкой образцов для дальнейших испытаний, составили в среднем Нс = 2 А / см. Это означает, что металлопрокат из стали 08Ю находился в состоянии поставки в нормализованном состоянии.
Измеряли значения Нс лицевой и обратной сторон защитной панели, представляющую приваренную к каркасу прерывистым швом дуговой сваркой обшивку в виде тонколистового металлопроката.
Первичные значения Нс получали на каждом размеченном участке с обеих сторон панели с учетом расположения (поляризации) сенсорных полюсов магнитодатчиков, вдоль и поперек направления прокатки. Далее определяли значения Нс листа панели на характерных участках панели:
По специально разработанному программному обеспечению, встроенному в коэрцитиметр, выполняли построение цветовых магнитограмм, характеризующих распределение значений Нс по поверхности объекта после обработки результатов показаний коэрцитиметра КРМ-Ц-К2М, полученных при проведении измерений. Изображение (внешний вид) типичных гистограммы и диаграмм (цветных магнитограмм) результатов измерений Нс лицевой (внутренней) стороны, а также металла всей защитной панели в целом представлен на рис. 7.
Анализ результатов измерений, выраженных соответствующими гистограммами и магнитограммами, позволяет сделать вывод, что средние значения Нс металлопроката обратной стороны в горизонтальном (4,67 А / см) и вертикальном (4,95 А / см) направлениях и металлопроката лицевой стороны в горизонтальном (4,72 А / см) и вертикальном (5,01 А / см) направлениях указывают на то, что металлопрокат в исходном состоянии обладал минимальной анизотропией механических свойств в наплавлении вдоль и поперек прокатки. Среднее значение математического ожидания (МО) листа обшивки защитной панели (внутренней и наружной сторон) составляет:
МОср. = (МОвн.→ + МОнар.↑ + МОвн.→ + МОнар.↑) / 4 =
= (4,67 + 4,95 + 4,72 + 5,01) / 4 = 4,838 ≈ 4,8 А / см (2)
В формуле (2) стрелками обозначено расположение (поляризация) сенсоров магнитодатчиков прибора КРМ-К2Ц-М при измерении Нс: → – горизонтальное (по направлению прокатки) и ↑ – вертикальное (под углом 90° к направлению прокатки).
Определение уровня действующих остаточных напряжений в соответствии с предложенной в данной работе методикой исследования базируется на:
Испытания на статическое растяжение плоских образцов, вырезанных из защитной панели (сталь 08Ю) проводили на универсальной испытательной машине LFM‑250 фирмы Walter + Bai (Швейцария). Одновременно с растяжением образца измеряли значения коэрцитивной силы (Нс) с помощью магнитного структуроскопа (коэрцитиметра) КРМ-К2Ц-М.
По результатам измерений значений Нс, полученным непосредственно в процессе механических испытаний, строили графическую зависимость в координатах: «напряжение течения – коэрцитивная сила», которую использовали в качестве тарировочной кривой (рис. 8). С использованием построенной тарировочной кривой, по экспериментальным значениям коэрцитивной силы определяли уровень напряжений в металле панели и оценивали напряженное состояние в панели защитной кабины в целом. Следует отметить, что ранее измеренные на отдельных, вырезанных из листа карточках – заготовках перед изготовлением образцов для дальнейших испытаний значения Нс составили в среднем Нс = 2 А / см. Полученное экспериментально значение Нс защитной панели после сварки листа к каркасу до лазерного воздействия на лицевой (внутренней) и наружной (внешней) стороны защитной панели составляет в среднем Нс = 4,8 А / см (табл. 4).
Как видно из табл. 4 увеличение в 2,4 раза (4,8 / 2) значений Нс характеризует возрастание напряжений в металлоконструкции панели МКАЗ, вызванное сваркой тонколистовой обшивки к каркасу.
Из графика (рис. 8) следует, что по значениям коэрцитивной силы Нс, измеренной в металле исследуемой панели после лазерного воздействия (Нс = 6,3−6,6 А / см), напряжения в металлоконструкции панели защитной кабины не превышают значений σ = 26 кг / мм2 (284 МПа), что ниже значений предела прочности для стали 08Ю, составляющего:
Таким образом, расчетно-экспериментальным методом измерения коэрцитивной силы установлено, что напряжения σ = 26 кг / мм2 (284 МПа) не являются столь критичными для того, чтобы способствовать накоплению повреждений в металле панелей под воздействием исследуемых факторов при эксплуатации МКАЗ. Результаты оценки напряженного состояния панели свидетельствует о функциональной надежности элементов МКАЗ и кабины в целом, являющейся самостоятельной сборной металлоконструкцией.
В результате исследований, выполненных по разработанной методике, экспериментально установлено и подтверждено на практике, что созданные МКАЗ обеспечивают высокие показатели надежности и уровня комплексной защиты от воздействия лазерного излучения (отраженного и диффузнорассеянного) на персонал, находящийся вне защитной кабины. Это является важным фактором, направленным на ускоренное решение проблем по расширению области внедрения технологий лазерной обработки в сферу промышленного производства отечественных предприятий металлургии и машиностроения.
Результаты оценки эксплуатационной надежности кабин с активной защитой по двухуровневой методике свидетельствуют о том, что кабины МКАЗ данной конструкции обеспечивают высокий показатель уровня защиты от воздействия лазерного излучения на серийных комплексах лазерной обработки. Прежде всего − от воздействия прямого лазерного излучения (за счет оснащения САОЛИ) и в дополнение − от воздействия побочных негативных явлений: отраженного и диффузнорассеянного лазерного излучения на персонал, находящийся вне защитной кабины при выполнении конкретных технологических процессов лазерной обработки.
Заключение
Для комплексной оценки эксплуатационной надежности МКАЗ разработана и реализована на практике расчетно-экспериментальная двухуровневая методика. В настоящем исследовании представлены результаты экспериментов, выполненных по двухуровневой методике.
На первом уровне методики − экспериментальным определением времени «срабатывания» САОЛИ на МКАЗ при выполнении технологического процесса лазерной наплавки.
Выполняли оценку эффективности экстренного автоматического отключения лазерного излучения при работающем лазерном генераторе непрерывного действия с волоконной оптической системой максимальной мощностью 6 кВт. На втором уровне исследовали воздействие лазерного излучения на структурные и физико-механические характеристики металла, напряженное состояние, а также эксплуатационные свойства элементов МКАЗ.
Расчетно-экспериментальным путем установлено:
Экспериментально доказана эффективность «срабатывания» системы аварийного отключения лазерного излучения при работающем источнике лазерного излучения мощностью 6 кВт на серийном комплексе лазерной обработки. САОЛИ обеспечивает «срабатывание» датчиков, настроенных на экстренное отключение лазерного генератора от сетевого питания за заданный минимальный промежуток времени.
Увеличение уровня напряжений в элементах металлоконструкции под воздействием исследуемых факторов, вызванных ЛИ, не являются столь критичным для того, чтобы способствовать накоплению повреждений в металле панелей при эксплуатации МКАЗ.
Тепловое воздействие ЛИ на структуру, физико-механические свойства металла и напряженное состояние исследуемого элемента защитной кабины с установленным датчиком, чувствительным к воздействию ЛИ, не снижает эксплуатационных качеств самого датчика и металлоконструкции панели, что свидетельствует о надежности системы защиты кабины в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
О. А. Крючина, В. П. Минаев. Новый СанПиН 1.2.3685-21. Состояние отечественной нормативной базы по лазерной безопасности. Лазер-Информ. 2021; 5-6 (692-693):7.
ГОСТ Р 12.1.040-83 ССБТ. Система стандартов безопасности труда. Лазерная безопасность. Общие положения.
ГОСТ IEC 60825-4-2014. Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 4. Средства защиты от лазерного излучения.
СТБ IEC 60825-1-2011. Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования.
ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий.
ГОСТ ЕН 12626-2006. Безопасность металлообрабатывающих станков. Станки для лазерной обработки.
Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т. Лазер. Все же какого он класса опасности. Часть I. Фотоника. 2015; 5 (53):42−49.
Желтов Г. И. О нормативах по лазерной безопасности. Лазер-Информ. 2018; 15-16: 630-631.
Крючина О. А., Садовников И. Э. Гармонизация со стандартами Европейского Союза: вопросы, проблемы, решения. Фотоника. 2020; 14(1): 56-64.
ГОСТ Р 12.1.011-89 ССБТ. Система стандартов безопасности труда. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация.
ГОСТ 12.4.308-2016 (EN207:2009) Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты глаз. Очки для защиты от лазерного излучения. Общие технические требования и методы испытаний.
Рахманов Б. Н., Кезик В. И., Кибовский В. Т., Пономарёв В. М. Правила определения предельно допустимых уровней при одновременном воздействии на глаза и кожу лазерного излучения с различными длинами волн. Медицина труда и промышленная экология. 2018;(12):35-38.
Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т. Оценка степени опасности и ослепляющего действия лазерных изделий, работающих на открытых пространствах в видимой и ближней ИК-областях спектра. Безопасность жизнедеятельности. Приложение. 2004; 1: 1-24.
ГОСТ Р 12.1.031-2010. ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения.
Крючина О. А., Садовников И. Э. Проблемы проведения измерений облучённости в процессе лазерной обработки металлов. Фотоника. 2019; 13(3): 308-311.
Крючина О. А., Шиганов И. Н., Садовников И. Э. Совершенствование методики контроля отражённого и рассеяного излучния при лазерных технологических процессах. Охрана труда в машиностроении. Технология машиностроения. 2021;(1):63-67.
Крючина О. А., Люхтер А. Б., Криворотов В. И., Садовников И. Э., Безносов П. В., Луконин А. В. Комплексная оценка эксплуатационной надёжности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от воздействия лазерного облучения. Фотоника. 2021;15(4): 282-295.
Богачёва Н. Д. Расширение возможности применения метода коэрцитивной силы. В мире неразрушающего контроля. 2005; 2(28): 8-10.
Бида Г. В. Размер зерна и корреляция прочностных, пластических и вязких свойств с коэрцитивной силой ферритно-перлитных сталей. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2010; 4: 40-45.
Безлюдько Г. Я., Ёлкина Е. И., Карабин В. В., Попов Б. Е., Криворотов В. И. Новый подход к оценке состояния сварных соединений. Мир сварки. 2010; 15: 44-49.
РД ИКЦ «КРАН»-007-97/02. «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности)».
ГОСТ5639-82. Сталь и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
АSTME112; ASTME1382. Анализ величины зерна в сталях и сплавах.
ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.
Григорович В. К. Твёрдость и микротвёрдость металлов. - М.: Наука. 1976. 230 с.
Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твёрдости. - М.: Машиностроение. 1971. 199 с.
Матюнин В. М., Терентьев В. Ф., Марченков А. Ю., Слизов А. К. Методика определения твёрдости и других механических свойств тонколистовой трип-стали индентированием. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017; 83(7): 49-53.
Кроха В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. Справочник. - М.: Машиностроение. 1980. 157 с.
Махненко В. И. Расчётные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. – М.: Машиностроение. 1976. 320 с.
Рыкалин Н. Н. Расчёты тепловых процессов при сварке. – М.: Машгиз. 1951. 296 с.
Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. – М.: Машиностроение. 1984. 273 с.
Об АВТОРАХ
Александр Люхтер, к. т. н., Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, Владимир, Россия.
ORCID: 0000-0003-1523-0637
Валерий Криворотов, к. т. н., VKrivorotov@ntoire-polus.ru; начальник отдела сертификации, аттестации и стандартизации, ООО НТО «ИРЭ-Полюс», Фрязино, Моск. обл., Россия.
Константин Скворцов, к. т. н., Владимирский юридический институт Федеральной службы исполнения наказаний (ВЮИ ФСИН России), Владимир, Россия.
ORCID: 0000-0001-8611-3353
А. Б. Люхтер , В. И. Криворотов, К. В. Скворцов
Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых
ООО НТО «ИРЭ-Полюс»
Владимирский юридический институт Федеральной службы исполнения наказаний (ВЮИ ФСИН России)
Выполнение обязательных требований лазерной безопасности, указанных в отечественной и мировой нормативной документации, является важнейшим фактором, определяющим широкое внедрение в промышленное производство лазерных комплексов, установок и систем, а также технологий лазерной обработки. В 2020 году целый ряд нормативных документов РФ утратил правовую силу, в частности СН 5804-91, СанПиН 2.2.4.3359-16 и др. Однако важность и актуальность решения проблемы обеспечения условий безопасной эксплуатации лазерного оборудования на отечественных предприятиях, невзирая на отсутствие этих документов в нормативно-правовом поле РФ, не вызывает сомнений.
В новых проектах при разработке эксплуатационных документов лазерный генератор без средств коллективной защиты (кабин, кабинетов и др.) по-прежнему продолжают относить к 4‑му классу опасности [1–9]. При работе лазерных роботизированных комплексов (ЛРК) не исключена вероятность возникновения опасных и аварийных ситуаций: образование мощного отраженного лазерного излучения (ЛИ) от обрабатываемой поверхности; выход ЛИ за пределы обрабатываемой детали / области обработки в сторону вероятного нахождения персонала (прожиг обрабатываемой детали, неточность позиционирования, сбой программы управления). При возникновении аварийных ситуаций высока вероятность нанесения тяжелого вреда здоровью рабочего персонала лазерным излучением. По мнению авторов настоящей работы, ссылаясь на собственный опыт, а также публикации других исследователей [5–7, 10–13], лазерный генератор, используемый в составе лазерных систем (установок, комплексов и др.), оборудованный средствами коллективной активной защиты, можно с достаточным обоснованием отнести к 1‑му классу опасности.
Статья получена: 04.06.2021
Статья принята: 20.08.2021
Целью настоящей работы является отработка и применение двухуровневой методики оценки эксплуатационной надежности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от несанкционированного лазерного воздействия при выполнении ее функциональных свойств.
В работе представлены результаты испытаний разработанной модульной защитной кабины, оснащенной системой аварийного отключения лазерного излучения (САОЛИ). МКАЗ создана в качестве средства коллективной защиты [8] от несанкционированного воздействия ЛИ при размещении в ее пространстве лазерных технологических комплексов для различных технологических процессов лазерной обработки (сварки, наплавки, упрочнения и др.).
По оснащенности средствами защиты МКАЗ обладает несомненными преимуществами по сравнению с защитными кабинами пассивного исполнения (без активной защиты).
Суть специально разработанной расчетно-экспериментальной двухуровневой методики оценки эксплуатационной надежности МКАЗ состоит в следующем. На первом уровне методики проводятся испытания на эффективность работы САОЛИ генератора непрерывного лазерного излучения максимальной мощностью 6 кВт.
На втором уровне проводилось исследование результата воздействия ЛИ на структурные и физико-механические характеристики металлических панелей, напряженное состояние, а также эксплуатационные свойства элементов МКАЗ, то есть проводилась оценка правомерности заложенных при проектировании и изготовлении кабины конструктивных технических решений.
Основные положения принципа работы САОЛИ состоят в формировании аварийного сигнала отключения источника лазерного излучения для предотвращения распространения ЛИ за пределы МКАЗ. Данная задача решается посредством расположения чувствительного элемента датчика в пространстве между стенками панели (рис. 1). При попадании прямого лазерного излучения на переднюю стенку панели происходит ее разогрев с последующим прожигом. Прямое, отраженное или диффузно-рассеянное (переотраженное) лазерное излучение, спектр которого попадает в диапазон чувствительности применяемого фотодиода, прошедшее в результате прожига во внутреннюю полость панели МКАЗ, регистрируется модулем САОЛИ. Схема управления фильтрует и усиливает фототок, а затем формирует релейный сигнал для цепей безопасности лазерной установки.
Таким образом, САОЛИ обеспечивает на лазерном оборудовании 4‑го класса опасности формирование аварийного сигнала отключения источника лазерного излучения, исключающего его распространение за пределы кабины. Соответственно лазерный технологический комплекс (ЛТК), имеющий подобную надежную кабинную защиту от выхода луча за пределы корпуса, можно отнести под определение лазерных изделий 1‑го класса опасности.
Испытания эффективности проводили по программе, регламентирующей порядок проведения испытаний в соответствии с выбранными режимами эксперимента. На первом уровне методики экспериментально определялась надежность системы САОЛИ на МКАЗ оборудования для лазерной наплавки. Эффективность экстренного автоматического отключения лазерного излучения определяли при работающем лазерном генераторе непрерывного действия максимальной мощностью 6 кВт с волоконной оптической системой и фокусным расстоянием 250 мм.
Методика первого уровня предписывала проведение операций в следующей последовательности с учетом выбранного положительного результата испытания – отсутствия сквозного отверстия в задней стенке панели МКАЗ:
- провести воздействие ЛИ на поверхность передней стенки панели в зону, определенную случайным образом до срабатывания САОЛИ, отключающим генератор ЛИ;
- провести визуальный осмотр задней стенки панели на наличие сквозного отверстия;
- при обнаружении на поверхности задней стенки панели (выгорания краски, подплавления металла и др.) необходимо провести изучение данной зоны с помощью дополнительных оптических приборов на предмет установления результатов влияния термического воздействия ЛИ на материал задней стенки.
Согласно методике испытаний диапазон расстояний от панели до оптической головки ЛТК (L) равнялся одному (F), трем (3F) и пяти (5F) фокусным расстояниям оптической системы.
Испытание на каждом из расстояний повторялся не менее пяти раз. Режимы и результат воздействия лазерного излучения на панели МКАЗ представлены в табл. 1. Изображения панелей после испытаний представлены на рис. 2.
В результате тщательного осмотра задней стенки панели МКАЗ не выявлено сквозных отверстий и следов теплового воздействия, что является свидетельством того, что лазерное излучение не выходило за ее пределы. Исключением являлся прожег передней и задней панелей с отключеной САОЛИ (рис. 2 а).
В ходе проведенных испытаний установлено, что САОЛИ, с очень высокой степенью вероятности, выполняет аварийное отключение лазерного генератора от сетевого питания, что обеспечивает высокую эффективность активной защиты на серийных комплексах лазерной обработки с МКАЗ.
Известно, что для незащищенных средствами индивидуальной защиты органов зрения и участков кожи, большую опасность может представлять отраженное и диффузно рассеянное лазерное излучение [9–13]. Эти виды излучений способны проникать за пределы защитной кабины через зазоры, щели между стойками, панелями и др. ее элементами, что существенно снижает уровень защитных свойств кабины.
Поэтому на втором уровне методики проводили исследование особенностей воздействие лазерного излучения (прямого и отраженного) и оценку степени влияния тепловых эффектов от прямого лазерного излучения на напряженное состояние конструктивных элементов и металлоконструкции МКАЗ в целом на протяжении заданного расчетного времени ее эксплуатации. Прежде всего для определения показателей напряженного состояния с целью исключить воздействие механических и тепловых факторов, вызывающих возникновение остаточных деформаций в виде «поводок», «коробления» и др. макро- и микроразмерных искажений и несовершенств, снижающих эффективность защитных (эксплуатационных) свойств отдельных сборочных элементов и кабины в целом.
Увеличение напряжений в металлоконструкции панелей кабины способствует возникновению искажений формы и потери размеров, образованию зазоров, щелей и др. несовершенств, что недопустимо. Известно, что между химическим составом ферромагнитных материалов и значением их коэрцитивной силы Нс существует достаточно устойчивая взаимосвязь [14]. Чтобы установить эту зависимость для материала исследуемых панелей МКАЗ, отбирали образцы (5 шт.) и определяли химический состав металла оптико-эмиссионным методом на анализаторе Magellan Q‑8. Результаты определения химического состава образцов панелей представлены в табл. 2.
По результатам определения химического состава металла панелей с использованием формул, предложенных Н. Д. Богачевой [14], выполняли предварительные расчеты теоретического среднего значения коэрцитивной силы (Нс). При расчетах использовали среднее количественное содержание элементов (С, Si, Mn, Cr и Ni) в стали. Результаты расчетов, выполненных по формуле (1), представлены в табл. 3.
Hc = KC ∙ C% + KSi ∙ Si% + KMn ∙ Mn% + KCr ∙ Cr% + KNi ∙ Ni%. (1)
В формуле (1): KC, KSi, KMn, KCr, KNi– эмпирические коэффициенты (таблица 3) перед содержанием в стали соответствующих элементов (в %).
Нс = (16 ∙ 0,07) + (2 ∙ 0,012) + (0,9 ∙ 0,289) +
+ (0,6 ∙ 0,014) + (3 ∙ 0,015)
1,12 + 0,024 + 0,26 = 1,46 ≈ 1,5 А / см.
То есть ориентировочное среднее (ожидаемое) значение Нс исследуемого металлопроката в пределах марочного состава стали 08Ю в исходном состоянии составляет Нс = 1,5 А / см (табл. 3).
Полученное расчетное значение Нс использовали в качестве достоверного первичного информационного параметра, в том числе для последующей оценки напряженного состояния.
Для определения механических свойств и напряженного состояния элементов и МКАЗ в целом использовали современные методы неразрушающего магнитометрического контроля, металлографического и структурного анализа, статистической обработки данных, совместно с механическими испытаниями, измерением твердости и др.
Панель МКАЗ (внутреннюю и наружную стороны) условно разделяли на участки по степени воздействия лазерного излучения и соответствующе маркировали (рис. 2b, c). Чтобы исключить распространение диффузнорассеянного лазерного излучения внутрь панели через образованные прожогом отверстия, их, перед каждым последующим включением лазера, закрывали (заглушали) непрозрачным скотчем. Таким образом, повышали достоверность определения облученности при экспериментах.
По окончании экспериментов по оценке эффективности срабатывания САОЛИ проводили измерение значений Нс на внутренней (со стороны нахождения датчика) и наружной стороне панели на заранее размеченных участках (рис. 2б, в). После измерений Нс из панели отбирали образцы для дальнейших исследований металлографической структуры, а также напряженного состояния металла панелей МКАЗ.
Макроструктурный металлографический анализ выполняли на шлифах, изготовленных из темплет, отобранных из характерных участков панели после лазерного облучения с различной мощностью, фокусным расстоянием и продолжительностью (длительностью воздействия), а также после измерения значений Нс металла панели. Общий вид отдельных макрошлифов и панорама зоны теплового воздействия лазерного излучения с характерным типом макро- и микроструктур представлен на рис. 3. На рис. 3а видны следы (участки темного цвета), характеризующие последствия теплового (термического) воздействия прямого лазерного излучения на исследуемую стенку панели.
Это вызывает пережог границ зерен (рис. 3b) и в конечном итоге прожог всей толщины панели кабины (рис. 3c). Хорошо заметны характерные отдельные области с видимыми структурными искажениями (пережогом) границ зерен, а также вполне различимы близко расположенные участки самих зерен, вызванные воздействием лазерного излучения.
Следует отметить, что, по мере приближения к зонам оплавления (около прожога) или непосредственно вблизи сквозного прожога исследуемой панели, результаты проявления этих воздействий на структурные изменения заметно усиливаются. Это выражается прежде всего тем, что сами границы зерен искажены «пережогом» и, как следствие, потерей механической прочности металла (рис. 3 b; c).
Микроструктурный анализ, чтобы повысить достоверность результатов и обеспечить идентификацию образцов, взятых от стенки панели, проводили на микрошлифах, полученных из темплет, которые использовали для изготовения макрошлифов. Подготовку микрошлифов (запрессовку, шлифование, полировку и др.) осуществляли на комплексе оборудования фирмы Struers (Дания). Травление микрошлифов осуществляли в 20% – ом спиртовом растворе азотной кислоты. Микроструктура стали 08Ю до и после воздействия лазерного излучения (ЛИ) представлена на рис. 4. Размер зерна определяли с помощью микроскопа OlympusGX51 (Япония). Измерение величины зерна проводили с использованием специальной программы SIAMS∆, а также методом секущей при двухсоткратном увеличении изображения [23, 24].
Микроструктура стали 08Ю до (а) и после (b) воздействия лазерного излучения представлена на рис. 4. Из рис. 4а следует, что в исходном (до воздействия ЛИ) состоянии структура металла панели характерна для сталей типа 08Ю в нормализованном состоянии.
Средний размер зерна равен 0,013 мм (13 мкм). В зоне воздействия прямого лазерного излучения на участках, расположенных в непосредственной близости от сквозных отверстий, образованных в результате прожога исследуемой панели, микроструктура имеет характерный вид термически обработанного металлического материала. Заметно увеличение размера зерна на этих участках, в среднем, от 0,013 мм (13 мкм) с наличием отдельных фрагментов с до 0,1 мм (100 мкм) (рис. 4b).
Параллельно с металлографическими исследованиями структуры в зонах теплового воздействия лазерного излучения, на микрошлифах определяли микротвердость металла кабины [25, 26]. Микротвердость определяли при помощи микротвердомера DuraScan 20 (EmcoTest – Австрия) при нагрузке 100 грамм. Микротвердость на исследуемых участках панели в исходном (до теплового воздействия ЛИ) состоянии составляла в среднем HV0,1 = 100. Микротвердость на участках, подвергшихся воздействию лазерного излучения, в зависимости от близости к зоне сквозного прожога, значительно выше (в 1,3−1,9 раз) и составляла HV0.1 = 130−190. Это свидетельствует также об увеличении напряжений в металле панели после лазерного воздействия [27–30]. График распределения микротвердости по длине образца (рис. 5а) в зависимости от места расположения от сквозного отверстия (прожога) на исследуемой панели и структура образца представлены на рис. 5b. Из графика (рис. 5а) следует, что от воздействия прямого лазерного излучения средние значения микротвердости металла с приближением в сквозному отверстию, образованному в результате прожога панели, повышаются.
Увеличивается таже неравномерность распредления значений микротвердости по сечению, имеются отдельные участки с видимыми структурными искажениями, вызванными термическим воздействием (пережогом) границ зерен. По неравномерности распредления значений микротвердости на измеренных участках, соответствующих исходной структуре, переходной зоне и зоне сквозного прожога, можно судить о неоднородности напряженного состояния на этих участках.
С учетом рекомендаций авторов работ [31, 32] выполняли построение полей теплового (термического) воздействия на металл панели в данных экспериментах. На схеме (рис. 6) представлено изображение полей изотерм, характеризующих типичное тепловое воздействие лазерного излучения при стационарном нагреве. Из результатов расчетно-экспериментальных исследований следует, что напряжения от теплового (термического) воздействия лазерного излучения не превосходят значение предела прочности металла панелей МКАЗ (стали 08Ю). Это не допускает возникновение критических деформаций от теплового воздействия лазерного излучения, способных привести к искажению (поводкам) формы панели, вызывающих неплотное прилегание панелей к элементам каркаса кабины. И, следовательно, практически исключает возможность распространения через щели, зазоры и др. несплошности между панелями и стойками (элементами) каркаса отраженного и диффузнорассеянного лазерного излучения за пределы кабины.
Полученную номограмму (рис. 6) использовали для изучения особенностей теплового воздействия лазерного излучения на конструктивные элементы панели защитной кабины. Данные номограммы учитывали при отборе проб и вырезке из характерных участков панели образцов, для изготовления макро- и микрошлифов и последующего металлографического исследования, определения твердости, а также проведения механических испытаний.
Для определения физико-механических свойств металлопроката и уровня напряжений на отдельных участках и кабины в целом использовали специальную методику магитометрического контроля, основанную на измерении коэрцитивной силы металла, поскольку и между химическим составом ферромагнитного материала, его механическими свойствами, структурным, напряженным состоянием и коэрцитивной силой также существует достаточно устойчивая взаимосвязь [19–22]. В свою очередь, и механические свойства в значительной мере определятся химическим составом материала, его состоянием после термомеханического воздействия (например прокатки, ковки и др. и видов термообработки: закалки, нормализации, улучшения, отжига и др.). Это позволяет провести предварительные расчеты Нс и использовать их в дальнейшем при оценке напряженного состояния элементов, панелей и в целом МКАЗ.
Измерения значений коэрцитивной силы выполняли с помощью коэрцитиметра (магнитного структуроскопа) КРМ-К2Ц-М разработки научно-производственной фирмы «Специальные Научные Разработки» (СНР). Измерения выполняли в соответствии с требованиями РД ИКЦ «КРАН» – 007-97 / 02 [22] и Руководства по эксплуатации прибора КРМ-Ц-К2М.
Значения Нс, измеренные на отдельных карточках – заготовках перед вырезкой образцов для дальнейших испытаний, составили в среднем Нс = 2 А / см. Это означает, что металлопрокат из стали 08Ю находился в состоянии поставки в нормализованном состоянии.
Измеряли значения Нс лицевой и обратной сторон защитной панели, представляющую приваренную к каркасу прерывистым швом дуговой сваркой обшивку в виде тонколистового металлопроката.
Первичные значения Нс получали на каждом размеченном участке с обеих сторон панели с учетом расположения (поляризации) сенсорных полюсов магнитодатчиков, вдоль и поперек направления прокатки. Далее определяли значения Нс листа панели на характерных участках панели:
- без видимых визуально следов последствия воздействия прямого излучения, то есть, принятое за исходное;
- вблизи явно выраженного воздействия лазерного излучения на общее состояние панели.
По специально разработанному программному обеспечению, встроенному в коэрцитиметр, выполняли построение цветовых магнитограмм, характеризующих распределение значений Нс по поверхности объекта после обработки результатов показаний коэрцитиметра КРМ-Ц-К2М, полученных при проведении измерений. Изображение (внешний вид) типичных гистограммы и диаграмм (цветных магнитограмм) результатов измерений Нс лицевой (внутренней) стороны, а также металла всей защитной панели в целом представлен на рис. 7.
Анализ результатов измерений, выраженных соответствующими гистограммами и магнитограммами, позволяет сделать вывод, что средние значения Нс металлопроката обратной стороны в горизонтальном (4,67 А / см) и вертикальном (4,95 А / см) направлениях и металлопроката лицевой стороны в горизонтальном (4,72 А / см) и вертикальном (5,01 А / см) направлениях указывают на то, что металлопрокат в исходном состоянии обладал минимальной анизотропией механических свойств в наплавлении вдоль и поперек прокатки. Среднее значение математического ожидания (МО) листа обшивки защитной панели (внутренней и наружной сторон) составляет:
МОср. = (МОвн.→ + МОнар.↑ + МОвн.→ + МОнар.↑) / 4 =
= (4,67 + 4,95 + 4,72 + 5,01) / 4 = 4,838 ≈ 4,8 А / см (2)
В формуле (2) стрелками обозначено расположение (поляризация) сенсоров магнитодатчиков прибора КРМ-К2Ц-М при измерении Нс: → – горизонтальное (по направлению прокатки) и ↑ – вертикальное (под углом 90° к направлению прокатки).
Определение уровня действующих остаточных напряжений в соответствии с предложенной в данной работе методикой исследования базируется на:
- проведении механических испытаний образцов на статическое растяжение;
- измерении в процессе нагружения коэрцитивной силы (Нс) с построением тарировочной кривой в координатах «коэрцитивная сила – напряжение» при растяжении;
- измерении Нс исследуемой панели кабины и определение по тарировочной кривой напряжений, действующих в металлоконструкции панели.
Испытания на статическое растяжение плоских образцов, вырезанных из защитной панели (сталь 08Ю) проводили на универсальной испытательной машине LFM‑250 фирмы Walter + Bai (Швейцария). Одновременно с растяжением образца измеряли значения коэрцитивной силы (Нс) с помощью магнитного структуроскопа (коэрцитиметра) КРМ-К2Ц-М.
По результатам измерений значений Нс, полученным непосредственно в процессе механических испытаний, строили графическую зависимость в координатах: «напряжение течения – коэрцитивная сила», которую использовали в качестве тарировочной кривой (рис. 8). С использованием построенной тарировочной кривой, по экспериментальным значениям коэрцитивной силы определяли уровень напряжений в металле панели и оценивали напряженное состояние в панели защитной кабины в целом. Следует отметить, что ранее измеренные на отдельных, вырезанных из листа карточках – заготовках перед изготовлением образцов для дальнейших испытаний значения Нс составили в среднем Нс = 2 А / см. Полученное экспериментально значение Нс защитной панели после сварки листа к каркасу до лазерного воздействия на лицевой (внутренней) и наружной (внешней) стороны защитной панели составляет в среднем Нс = 4,8 А / см (табл. 4).
Как видно из табл. 4 увеличение в 2,4 раза (4,8 / 2) значений Нс характеризует возрастание напряжений в металлоконструкции панели МКАЗ, вызванное сваркой тонколистовой обшивки к каркасу.
Из графика (рис. 8) следует, что по значениям коэрцитивной силы Нс, измеренной в металле исследуемой панели после лазерного воздействия (Нс = 6,3−6,6 А / см), напряжения в металлоконструкции панели защитной кабины не превышают значений σ = 26 кг / мм2 (284 МПа), что ниже значений предела прочности для стали 08Ю, составляющего:
- экспериментально, при растяжении σв = 30,9 кг / мм2 (303 МПа);
- по справочникам свойств стали 08Ю σв = 37 кг / мм2 (360 МПа).
Таким образом, расчетно-экспериментальным методом измерения коэрцитивной силы установлено, что напряжения σ = 26 кг / мм2 (284 МПа) не являются столь критичными для того, чтобы способствовать накоплению повреждений в металле панелей под воздействием исследуемых факторов при эксплуатации МКАЗ. Результаты оценки напряженного состояния панели свидетельствует о функциональной надежности элементов МКАЗ и кабины в целом, являющейся самостоятельной сборной металлоконструкцией.
В результате исследований, выполненных по разработанной методике, экспериментально установлено и подтверждено на практике, что созданные МКАЗ обеспечивают высокие показатели надежности и уровня комплексной защиты от воздействия лазерного излучения (отраженного и диффузнорассеянного) на персонал, находящийся вне защитной кабины. Это является важным фактором, направленным на ускоренное решение проблем по расширению области внедрения технологий лазерной обработки в сферу промышленного производства отечественных предприятий металлургии и машиностроения.
Результаты оценки эксплуатационной надежности кабин с активной защитой по двухуровневой методике свидетельствуют о том, что кабины МКАЗ данной конструкции обеспечивают высокий показатель уровня защиты от воздействия лазерного излучения на серийных комплексах лазерной обработки. Прежде всего − от воздействия прямого лазерного излучения (за счет оснащения САОЛИ) и в дополнение − от воздействия побочных негативных явлений: отраженного и диффузнорассеянного лазерного излучения на персонал, находящийся вне защитной кабины при выполнении конкретных технологических процессов лазерной обработки.
Заключение
Для комплексной оценки эксплуатационной надежности МКАЗ разработана и реализована на практике расчетно-экспериментальная двухуровневая методика. В настоящем исследовании представлены результаты экспериментов, выполненных по двухуровневой методике.
На первом уровне методики − экспериментальным определением времени «срабатывания» САОЛИ на МКАЗ при выполнении технологического процесса лазерной наплавки.
Выполняли оценку эффективности экстренного автоматического отключения лазерного излучения при работающем лазерном генераторе непрерывного действия с волоконной оптической системой максимальной мощностью 6 кВт. На втором уровне исследовали воздействие лазерного излучения на структурные и физико-механические характеристики металла, напряженное состояние, а также эксплуатационные свойства элементов МКАЗ.
Расчетно-экспериментальным путем установлено:
Экспериментально доказана эффективность «срабатывания» системы аварийного отключения лазерного излучения при работающем источнике лазерного излучения мощностью 6 кВт на серийном комплексе лазерной обработки. САОЛИ обеспечивает «срабатывание» датчиков, настроенных на экстренное отключение лазерного генератора от сетевого питания за заданный минимальный промежуток времени.
Увеличение уровня напряжений в элементах металлоконструкции под воздействием исследуемых факторов, вызванных ЛИ, не являются столь критичным для того, чтобы способствовать накоплению повреждений в металле панелей при эксплуатации МКАЗ.
Тепловое воздействие ЛИ на структуру, физико-механические свойства металла и напряженное состояние исследуемого элемента защитной кабины с установленным датчиком, чувствительным к воздействию ЛИ, не снижает эксплуатационных качеств самого датчика и металлоконструкции панели, что свидетельствует о надежности системы защиты кабины в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
О. А. Крючина, В. П. Минаев. Новый СанПиН 1.2.3685-21. Состояние отечественной нормативной базы по лазерной безопасности. Лазер-Информ. 2021; 5-6 (692-693):7.
ГОСТ Р 12.1.040-83 ССБТ. Система стандартов безопасности труда. Лазерная безопасность. Общие положения.
ГОСТ IEC 60825-4-2014. Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 4. Средства защиты от лазерного излучения.
СТБ IEC 60825-1-2011. Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования.
ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий.
ГОСТ ЕН 12626-2006. Безопасность металлообрабатывающих станков. Станки для лазерной обработки.
Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т. Лазер. Все же какого он класса опасности. Часть I. Фотоника. 2015; 5 (53):42−49.
Желтов Г. И. О нормативах по лазерной безопасности. Лазер-Информ. 2018; 15-16: 630-631.
Крючина О. А., Садовников И. Э. Гармонизация со стандартами Европейского Союза: вопросы, проблемы, решения. Фотоника. 2020; 14(1): 56-64.
ГОСТ Р 12.1.011-89 ССБТ. Система стандартов безопасности труда. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация.
ГОСТ 12.4.308-2016 (EN207:2009) Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты глаз. Очки для защиты от лазерного излучения. Общие технические требования и методы испытаний.
Рахманов Б. Н., Кезик В. И., Кибовский В. Т., Пономарёв В. М. Правила определения предельно допустимых уровней при одновременном воздействии на глаза и кожу лазерного излучения с различными длинами волн. Медицина труда и промышленная экология. 2018;(12):35-38.
Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т. Оценка степени опасности и ослепляющего действия лазерных изделий, работающих на открытых пространствах в видимой и ближней ИК-областях спектра. Безопасность жизнедеятельности. Приложение. 2004; 1: 1-24.
ГОСТ Р 12.1.031-2010. ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения.
Крючина О. А., Садовников И. Э. Проблемы проведения измерений облучённости в процессе лазерной обработки металлов. Фотоника. 2019; 13(3): 308-311.
Крючина О. А., Шиганов И. Н., Садовников И. Э. Совершенствование методики контроля отражённого и рассеяного излучния при лазерных технологических процессах. Охрана труда в машиностроении. Технология машиностроения. 2021;(1):63-67.
Крючина О. А., Люхтер А. Б., Криворотов В. И., Садовников И. Э., Безносов П. В., Луконин А. В. Комплексная оценка эксплуатационной надёжности модульной кабины с активной защитой (МКАЗ) от воздействия лазерного облучения. Фотоника. 2021;15(4): 282-295.
Богачёва Н. Д. Расширение возможности применения метода коэрцитивной силы. В мире неразрушающего контроля. 2005; 2(28): 8-10.
Бида Г. В. Размер зерна и корреляция прочностных, пластических и вязких свойств с коэрцитивной силой ферритно-перлитных сталей. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2010; 4: 40-45.
Безлюдько Г. Я., Ёлкина Е. И., Карабин В. В., Попов Б. Е., Криворотов В. И. Новый подход к оценке состояния сварных соединений. Мир сварки. 2010; 15: 44-49.
РД ИКЦ «КРАН»-007-97/02. «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности)».
ГОСТ5639-82. Сталь и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
АSTME112; ASTME1382. Анализ величины зерна в сталях и сплавах.
ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.
Григорович В. К. Твёрдость и микротвёрдость металлов. - М.: Наука. 1976. 230 с.
Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твёрдости. - М.: Машиностроение. 1971. 199 с.
Матюнин В. М., Терентьев В. Ф., Марченков А. Ю., Слизов А. К. Методика определения твёрдости и других механических свойств тонколистовой трип-стали индентированием. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017; 83(7): 49-53.
Кроха В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. Справочник. - М.: Машиностроение. 1980. 157 с.
Махненко В. И. Расчётные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. – М.: Машиностроение. 1976. 320 с.
Рыкалин Н. Н. Расчёты тепловых процессов при сварке. – М.: Машгиз. 1951. 296 с.
Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. – М.: Машиностроение. 1984. 273 с.
Об АВТОРАХ
Александр Люхтер, к. т. н., Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, Владимир, Россия.
ORCID: 0000-0003-1523-0637
Валерий Криворотов, к. т. н., VKrivorotov@ntoire-polus.ru; начальник отдела сертификации, аттестации и стандартизации, ООО НТО «ИРЭ-Полюс», Фрязино, Моск. обл., Россия.
Константин Скворцов, к. т. н., Владимирский юридический институт Федеральной службы исполнения наказаний (ВЮИ ФСИН России), Владимир, Россия.
ORCID: 0000-0001-8611-3353
Отзывы читателей
