Лазерная обработка металлов

Лазерная обработка металлов

Введение

Лазер является одним из наиболее интересных научно-технических достижений XX века. Создание лазеров привело ко второму рождению научной и технической оптики и развитию совершенно новых отраслей промышленности.

Лазеры находят разнообразное применение в технологии обработки материалов, становятся частью многих специализированных информационных систем, используются в научных исследованиях, медицине, военной технике. В обозримом будущем лазерные технология, связь, химия и энергетика должны привести к революционным преобразованиям в этих областях.

Обработка металлов лазером - самый технологичный и выгодный способ раскроя практически любого типа материала. В отличие от других технологий раскроя лазерная резка практически не наносит ущерба металлу, так что в большинстве случаев он не требует дальнейшей обработки.

По сравнению, с механической резкой, обработка металлов лазером позволяет значительно сэкономить на металле, уходящем в отвал. Специальные программы в составе программного обеспечения лазерного станка подскажут резчику наиболее экономичный способ изготовления продукции их заготовок.

Следует отметить, что обработка металла лазером применяется не только в машиностроении или станкостроении, строительстве и других сферах промышленности. Лазер используется и для изготовления декоративных элементов и хрупких деталей, использующихся для украшения зданий, сооружений и даже внутренних помещений.

В данной курсовой работе будет подробно рассмотрен такой технологический процесс, как лазерная обработка металлов, изучены его особенности и основные классификации, определены источники возможных опасных и вредных производственных факторов.

. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ

.1 Теория лазерной обработки

Лазер - источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв слов английской фразы «Light amplification by stimylated Emission of Radiation» - что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся на верхнем энергетическом уровне и отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень. Усиление света получается за счет того, что первый квант, т. е. квант-возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохраняется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним атомом, а потом с восьмью, шестнадцатью и т. д., пока не кончится их путь в активном веществе. Так что, чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т. е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А так как первоначальный импульс света заключает в себе не 1 квант, а множество, то и лавина квантов становится мощной. Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т. е. в виде стержней, длина которых примерно в 10 раз больше толщины.

В генераторе имеется система зеркал. Зеркала представляют собой не что иное, как торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, так, чтобы свет полностью отражался от него, а другой серебрится тонким слоем с таким расчетом, чтобы он отражал 90 % квантов, а 10 % пропускал.

Зеркала необходимы для того, чтобы делать луч лазера направленным, а главным образом для многократного усиления первичной лавины квантов, летящих вдоль оси стержня активного вещества. Первичная лавина, пролетевшая стержень до конца, еще очень слаба для того, чтобы стать мощным потоком света. И ее отбрасывает назад зеркало на торце стержня. Зеркало со стопроцентным отражением света. Лавина квантов мчится обратно гигантскими скачками, набираясь новых сил. Нарастание мощности выходного пучка света происходит так быстро, что практически незаметно.

В качестве активного вещества в твердотельных лазерах используют кристаллические или аморфные диэлектрики, т. е. вещества, не пропускающие электрический ток. Наиболее распространенным материалом рабочих тел лазеров является синтетический рубин - кристаллическая окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заменена на атомы хрома. Эти атомы хрома и являются рабочими телами, которые «накачиваются» энергией, а затем отдают ее, усиливая световой поток.

Во время мощных вспышек, а тем более во время непрерывной работы лазера, стержень активного вещества сильно нагревается и его приходится охлаждать. Для этого стержень заключают в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Рубиновый лазер обычно охлаждается жидким азотом, температура которого равна - 196 °С.

Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата.

Рисунок 1. Типовая структурная схема лазерной установки с твердотельным лазером

- зарядное устройство; 2 - ёмкостный накопитель; 3 - система управления; 4 - блок поджига; 5 - лазерная головка; 6 - система охлаждения; 7 - система стабилизации энергии излучения; 8 - датчик энергии излучения; 9 - оптическая система; 10 - сфокусированный луч лазера; 11 - обрабатываемая заготовка; 12 - координатный стол; 13 - система программного управления.

Основным элементом оборудования является технологический лазер, отличающийся надежностью и простотой эксплуатации в жестких условиях производства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспроизводимость параметров излучения.

1.2 Обработка материалов лазерным лучом

а - плавление металла под действием лазерного излучения; б - интенсивное испарение металла; в - образование плазмы

Рисунок 2. Воздействие лазерного излучения

Направим на поверхность какого-то материала, например металла, луч мощного лазера. Вообразим, что интенсивность излучения постепенно растет (за счет увеличения мощности лазера или за счет фокусирования излучения). Когда интенсивность излучения достигнет необходимого значения, начнется плавление металла. Вблизи поверхности, непосредственно под световым пятном, возникает область жидкого (расплавленного) металла. Поверхность, отграничивающая эту область от твердого металла (ее называют поверхностью расплава), постепенно перемещается в глубину материала по мере поглощения им световой энергии. При этом площадь поверхности расплава увеличивается и, следовательно, теплота начинает более интенсивно проникать в глубину материала за счет теплопроводности. В результате устанавливается поверхность расплава (рисунок 2, а). При повышении интенсивности лазерного излучения одновременно с плавлением будет происходить интенсивное испарение (кипение) материала. Часть вещества превратится в пар, вследствие чего на поверхности металла возникает лунка, начинается процесс формирования отверстия (рисунок 2, б).

Когда интенсивность излучения достигнет максимума, свет начнет сильно ионизовать пары вещества, превращая их в плазму. Возникнув, плазма преградит дальнейший доступ лазерного излучения к поверхности материала - ведь свет интенсивно поглощается плазмой (рисунок 2, в).

1.3 Лазерная резка

Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и СО2, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, , которой присущи следующие особенности: обширный диапазон разделяемых материалов; возможность получения узких разрезов и безотходного разделения; малая зона термического влияния; минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал; возможность автоматизации процесса; возможность резки по заданному профилю; улучшение гигиены производства.

Оно может быть осуществлено либо при полном удалении материала по линии разреза, либо при частичном удалении материала, например, при образовании системы отверстий малого диаметра в разрезаемой пластине по линии разделения с последующим разломом. Последний метод разделения называется скрайбированием.

.4 Лазерная сварка

Лазерная сварка может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из коррозионно-стойкой стали, никеля, молибдена и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Для материалов, плохо поддающихся сварке другими методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с другими сплавами), применяют лазерный метод. Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала может быть 0,1...1 МВт/см2.

Наиболее эффективно применять лазеры для сварки конструкций в труднодоступных местах, при соединении легкодеформируемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т. д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния.

При применении лазерной сварки прочность сварных соединений (ширина шва составляет несколько миллиметров) достигает уровня прочности свариваемого материала. Осуществляется автоматическая лазерная сварка кузовов автомобилей, сварка листов титана и алюминия на судостроительных верфях, сварка газопроводов.

Лазерная сварка успешно конкурирует с хорошо известными способами сварки. Она обладает рядом преимуществ, которые делают ее во многих случаях предпочтительной или даже единственно возможной. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а поэтому нет опасности его загрязнения какими-либо примесями. В отличие от электронной сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в атмосфере. Лазерная сварка позволяет осуществлять быстро и с высокой точностью локальное проплавление в данной точке или вдоль заданной линии. Подвергающаяся тепловому воздействию зона имеет очень малые размеры, что важно, в частности, в тех случаях, когда сварка производится в непосредственной близости от чувствительных к нагреву элементов.

1.5 Термообработка

При направлении лазерного луча на поверхность металла тонкий поверхностный слой быстро нагревается. По мере перемещения луча на другие участки поверхности происходит быстрое остывание нагретого участка. Так производят закалку поверхностных слоев, приводящую к существенному повышению их прочности. Лазерная закалка позволяет избирательно увеличивать прочность именно тех участков поверхности, именно тех деталей, которые в наибольшей мере подвергаются износу. Так, лазерную закалку применяют в автомобильной промышленности для упрочнения головок цилиндров двигателей, направляющих клапанов, шестерен, распределительных валов и т. д.

Для повышения твердости поверхности применяют также лазерное легирование. Легирующие присадки в виде порошка предварительно наносят на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером поверхности заготовки происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала заготовки в пределах тонкого поверхностного слоя.

Термообработку обычно производят непрерывно генерирующим лазером на СО2.

Поверхностное упрочнение металлов производят ударными волнами при использовании лазеров, генерирующих последовательности импульсов. У поверхности металла образуется слой плазмы. Плазма распространяется навстречу лазерному лучу, в результате чего рождается ударная волна. Поскольку луч представляет собой последовательность импульсов, возникает последовательность ударных волн. Воздействие волн на металлическую деталь оказывает в данном случае такое влияние, как при холодной обработке металла давлением. Лазерная термообработка позволяет повысить твердость материала на 20-30 % по сравнению с традиционными методами упрочнения и в несколько раз износостойкость.

1.6 Классификация лазеров

Классификация лазеров производиться с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки). По способу накачки следует, прежде всего, выделить два способа - оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же как составной элемент некоторых других способов накачки. Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах - при давлении 1...10 мм рт.ст.

Классификация лазеров по активной среде и области применения:

1)  Твердотельные лазеры:

a)           алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием - инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов;

b)      кристаллические лазеры с иттербиевым легированием или на основе иттербиевого стекловолокна; обычно работают в диапазоне 1020-1050 нм; потенциально самые высокоэффективные благодаря малому квантовому дефекту. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт);)   алюмо-иттриевые с эрбиевым легированием, 1645 нм;)   алюмо-иттриевые с тулиевым легированием, 2015 нм;)    алюмо-иттриевые с гольмиевым легированием, 2096 нм, излучение поглощается влажными материалами толщиной менее 1 мм. Обычно работает в импульсном режиме и используется в медицине;) титан-сапфировые лазеры - хорошо перестраиваемый по длине волны инфракарасный лазер, используемый для генерации сверхкоротких импульсов и в спектроскопии;)  лазеры на эрбиевом стекле, изготавливаются из специального оптоволокна и используются как усилители в оптических линиях связи;)   микрочиповые лазеры - компактные интегрированные импульсные твердотельные лазеры, наиболее широко используются в сверхъярких лазерных указках.

2)  Газовые лазеры:

a)           гелий-неоновые лазеры (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм);

b)      аргоновые лазеры (458 нм, 488 нм или 514,5 нм);) лазеры на углекислом газе (9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для резки и сварки материалов, имеют мощность до 100 кВт;)         лазеры на монооксиде углерода. Требуют дополнительного охлаждения, однако имеют большую мощность - до 500 кВт;) эксимерные газовые лазеры, дающие ультрафиолетовое излучение. Используются при производстве микросхем(фотолитография) и в установках коррекции зрения.

3)  Полупроводниковые лазерные диоды.

Самый распространенный тип лазеров: используются в лазерных указках, лазерных принтерах, телекоммуникациях и оптических носителях информации(CD/DVD). Мощные лазерные диоды используются для накачки современных твердотельных лазеров.

4)  Лазеры с квантовым каскадом на спирте или этиленгликоле.

Позволяют осуществлять перестройку длины волны излучения в диапазоне от 350 нм до 850 нм (в зависимости от типа красителя). Применение - спектроскопия, медицина (в т.ч. фотодинамическая терапия), фотохимия высокоэнергетических импульсов.

.7 Физико-химические процессы, проходящие в металле

Металл представляет собой трехмерную решетку из положительных ионов, которая погружена в газ электронов проводимости, связанных с ионной решеткой силами электростатического притяжения.

В видимом и инфракрасном диапазонах частот все излучение, которое не отражается от металла, поглощается им в весьма тонком поверхностном скин-слое (толщиной 10-5...10-6 см) на электронах проводимости. Это позволяет упростить описание и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая процессом распространения излучения в металле.

Для жидких и твёрдых тел поведение электронов, определяющих оптические свойства атома, резко меняются под действием полей соседних атомов. Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм); качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче энергии, отданной светом одной из них всему коллективу частиц.

Поглощенная энергия распространяется в веществе за счет различных механизмов теплопроводности. Для металлов основной является электронная теплопроводность.

2. АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИИ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА ВЫБРАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ УЧАСТКЕ

.1 Потенциальная опасность лазеров

Видимое, а также ближнее инфракрасное и ультрафиолетовое лазерное излучение представляет из себя существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка (порядка 3-5 мм), что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения.

На значительном расстоянии лазерный луч также может представлять опасность, ввиду того, что расходимость сравнима с дифракционной расходимостью при заданной апертуре. Поэтому высокая плотность энергии сохраняется на значительном расстоянии.

Лабораторные лазерные установки могут иметь среднюю мощность, доходящую до десятков и сотен ватт. При работе с такими установками требуется строжайшее соблюдение техники безопасности и специальная подготовка персонала.

Лазеры, излучающие вне видимого диапазона, представляют особую опасность в связи с тем, что человеческий глаз неспособен определить местоположение луча. При попадании в глаз такой луч будет замечен лишь тогда, когда поражение глаза уже наступило. Однако лазеры с достаточно большой длиной волны излучения (1,5 мкм) не проходят через внешние оболочки глаза и при малой мощности опасности не представляют. В этом случае поражение глаз возможно только при мощности, достаточной для разрушения роговицы глаза. Также многие виды излучения свободно проходят препятствия из оптически непрозрачных материалов (излучение на частотах 1-50ТГц проходит через лавсановую пластинку, в то время как для оптического и ИК излучения она является непрозрачной).

Существует мнение, что лазеры терагерцового диапазона излучения способны разрушать спираль ДНК, что может приводить к мутациям клеток.

.2 Классификация и средства защиты

Лазеры являются устройствами, представляющими повышенную опасность. Хотя существуют несколько факторов риска, связанных с лазерными установками, под лазерной безопасностью понимают способы защиты от факторов, связанных непосредственно с лазерным излучением.

Даже лазеры самой малой мощности (несколько милливатт) могут представлять опасность для зрения. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.

По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса:

·        Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации (выходное излучение не опасно для глаз).

·        Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания.

Примечание - Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для лазерных изделий класса 3В в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения между глазом и экраном - 13 см, максимальное время наблюдения - 10 с.

·        Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.

Эта градация определена ГОСТ Р 50723-94 «Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий».

В качестве ведущих критериев при оценке степени опасности генерируемого лазерного излучения приняты величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиция облучения.

Предельно допустимые уровни, требования к устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров регламентированы «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров» № 2392-81, которые позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с лазерами. Санитарные нормы и правила позволяют определить величины ПДУ для каждого режима работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам. Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей. Для лазерного излучения видимой области спектра для глаз учитывается также и угловой размер источника излучения.

Предельно допустимые уровни облучения дифференцированы с учетом режима работы лазеров:

·        непрерывный режим,

·        моноимпульсный,

·        импульсно-периодический.

Основными нормативными правовыми актами при оценке условий труда с оптическими квантовыми генераторами являются:

1.      «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» № 2392-81;

2.      Методические рекомендации «Гигиена труда при работе с лазерами», утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.;

.        ГОСТ 24713-81 «Методы измерений параметров лазерного излучения»;

.        Классификация: ГОСТ 24714-81 «Лазеры. Методы измерения параметров излучения»;

.        Общие положения: ГОСТ 12.1.040-83 «Лазерная безопасность. Общие положения»;

.        ГОСТ 12.1.031-81 «Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения».

Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, организационного, санитарно-гигиенического характера.

При использовании лазеров 2-3 классов в целях исключения облучения персонала необходимо либо ограждение лазерной зоны, либо экранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны изготавливаться из материалов с наименьшим коэффициентом отражения, быть огнестойкими и не выделять токсических веществ при воздействии на них лазерного излучения.

Лазеры 4 класса опасности размещаются в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением их работой.

При размещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможность взаимного облучения операторов, работающих на различных установках.

Не допускаются в помещения, где размещены лазеры, лица, не имеющие отношения к их эксплуатации. Запрещается визуальная юстировка лазеров без средств защиты.

Для удаления возможных токсических газов, паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Для защиты от шума принимаются соответствующие меры звукоизоляции установок, звукопоглощения и др.

К индивидуальным средствам защиты, обеспечивающим безопасные условия труда при работе с лазерами, относятся специальные очки, щитки, маски, обеспечивающие снижение облучения глаз до ПДУ. Средства индивидуальной защиты применяются только в том случае, когда коллективные средства защиты не позволяют обеспечить требования санитарных правил.

.3 Интегральная оценка тяжести труда

Расчет интегральной оценки тяжести и напряженности труда производят по формуле:

T = [ Xmax + ((6-Xmax) ∕ 6∙(N-1)) ∙ ∑Xi ]

T = [5 + ((6-5) ∕ 6∙(14-1))∙(1+3+5+1+2+2+4+4+1+1+2+1+1+2)] ≈ 5, 3

Где Хmax -наивысшая из полученных частных бальных оценок;

N - число факторов технологического процесса;

n - число учитываемых факторов, без одного Хmax ;

Хi - балльная оценка учитываемого i-го фактора;

Т - интегральная оценка тяжести труда.

Рисунок 1. Эскиз плана цеха

- 6 - рабочие зоны лазерных установок, находящиеся в одном помещении, но разделенные между собой; 7 - рабочие места операторов установок.

Таблица 1.

Интегральная оценка тяжести труда

Исходя из полученного значения интегральной оценки, определяем, что категория тяжести труда в данном рабочем помещении соответствует IV.

К четвертой категории тяжести относятся работы, при выполнении которых в организме исполнителя формируется глубокое пограничное функциональное состояние. Для этой категории характерно снижение работоспособности, повышается уровень общей заболеваемости, появляются производственно обусловленные заболевания, растет количество и тяжесть производственных травм.

В зависимости от типа, конструкции и целевого назначения лазеров и лазерных установок на обслуживающий персонал могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы:

лазерное излучение (прямое, отраженное и рассеянное);

сопутствующие ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения от источников накачки, плазменного факела и материалов мишени;

высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;

электромагнитное излучение промышленной частоты и радиочастотного диапазона;

рентгеновское излучение от газоразрядных трубок и других элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;

шум;

вибрация;

токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой, хладагентов и др.;

продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;

повышенная температура поверхностей лазерного изделия;

опасность взрыва в системах накачки лазеров.

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

3. ПЕРЕЧЕНЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ

3.1 Защита от шума

лазерный обработка металл сварка

Эксплуатация современного промышленного оборудования и средств транспорта сопровождается значительным уровнем шума и вибрации, негативно влияющих на состояние здоровья работающих. С точки зрения безопасности труда шум и вибрация - одни из наиболее распространенных вредных производственных факторов на производстве, которые при определенных условиях могут выступать как опасные производственные факторы.

Шум - это сочетание звуков различной частоты и интенсивности. С физиологической точки зрения шумом называют любой нежелательный звук, оказывающий вредное воздействие на организм человека.

Борьба с шумом осуществляется различными методами и средствами:

·        снижение мощности звукового излучения машин и агрегатов;

·        локализация действия звука конструктивными и планировочными решениями;

·        организационно-техническими мероприятиями;

·        лечебно-профилактическими мерами;

·        применением средств индивидуальной защиты работающих.

На производстве снижение шума на пути его распространения достигается путем проведения строительно-акустических мероприятий. Для этого устанавливают кожухи, экраны, звукоизолирующие перегородки между помещениями, звукопоглощающие облицовки, глушители шума. Под акустической обработкой помещений понимается облицовка части внутренних поверхностей ограждений звукопоглощающими материалами, а также размещения в помещениях штучных поглотителей.

При встрече звуковой энергии с ограждением часть её проходит через ограждение, часть её отражается, часть - превращается в тепловую энергию, часть - излучается колеблющейся преградой, и часть - превращается в корпусной звук, распространяющийся внутри ограждения в помещении.

          ,

где lпр, Рпр - интенсивность и звуковое давление прошедшего звука;

lпад, Рпад - интенсивность и звуковое давление падающего звука.

Звукоизолирующая способность конструкции тем выше, чем выше ее поверхностная плотность. Эффективными звукоизолирующими материалами являются: бетон, дерево, плотные пластмассы и др. Звукоизоляция является одним из наиболее эффективных и распространенных методов снижения производственного шума на пути его распространения. С помощью звукоизолирующих преград можно снизить уровень шума на 30-40 дБ.

3.2 Защита от вибрации

Вибрация может быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечно - сосудистой систем, а также опорно-двигательного аппарата.

В соответствии с ГОСТ 24346-80 (СТСЭВ 1926-79) под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при которой происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

Принято различать общую и локальную вибрацию. Общая вибрация действует на весь организм человека через опорные поверхности - сиденье, пол; локальная вибрация оказывает действие на отдельные части тела.

Виброизоляция заключается в уменьшении передачи колебаний от источника к защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними. Для виброизоляции чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок, пружин или их сочетания.

Профилактические меры по защите от вибраций заключаются в уменьшении их в источнике образования и на пути распространения, а также в применении индивидуальных средств защиты, проведении санитарных и организационных мероприятий.

Уменьшения вибрации в источнике возникновения достигают изменением технологического процесса с изготовлением деталей из капрона, резины, текстолита, своевременным проведением профилактических мероприятий и смазочных операций; центрированием и балансировкой деталей; уменьшением зазоров в сочленениях. Передачу колебаний на основание агрегата или конструкцию здания ослабляют посредством экранирования, что является одновременно средством борьбы и с шумом.

Если методы коллективной защиты не дают результата или их нерационально применять, то используют средства индивидуальной защиты. В качестве средств защиты от вибрации при работе с механизированным инструментом применяют антивибрационные рукавицы и специальную обувь. Антивибрационные полусапоги имеют многослойную резиновую подошву.

Длительность работы с вибрирующим инструментом не должна превышать 2/3 рабочей смены. Операции распределяют между работниками так, чтобы продолжительность непрерывного действия вибрации, включая микропаузы, не превышала 15...20 мин. Рекомендуется делать перерывы на 20 мин через 1...2ч после начала смены и на 30 мин через 2 ч после обеда.

3.3 Защита от электромагнитного излучения

В технических средствах защиты используют явления отражения и поглощения энергии излучателя, применяя различные виды экранов и поглотителей мощности. Благодаря высоким коэффициентам поглощения и почти полному отсутствию волнового сопротивления металлы обладают высокой отражательной и поглощающей способностью и поэтому широко применяются для экранирования.

Защита от СВЧ излучений кроме экранирования самих источников может быть обеспечена поглощающими нагрузками, экранированием рабочих мест и применением индивидуальных средств защиты. Экраны могут быть снабжены поглощающими или интерференционными покрытиями, для улучшения условий поглощения, т.к. в поглощающих покрытиях электромагнитная энергия рассеивается в виде тепловых потерь (материалы для поглощающих покрытий - каучук, пенополистирол, полиуретан и т.п.).

Для защиты глаз используют специальные радиозащитные очки из стекла, отражающего электромагнитные излучения.

Для защиты тела - капюшоны, халат и комбинезоны, выполненные из металлизированной хлопчатобумажной ткани.

3.4 Микроклимат в производственных помещениях

В. процессе труда в производственном помещении человек находится под влиянием определенных метеорологических условий, или микроклимата - климата внутренней среды этих помещений. К основным нормируемым показателям микроклимата воздуха рабочей зоны относятся температура, относительная влажность, скорость движения воздуха. Существенное влияние на параметры микроклимата и состояние человеческого организма оказывает также интенсивность теплового излучения различных нагретых поверхностей, температура которых превышает температуру в производственном помещении.

Влияние температуры окружающего воздуха на человеческий организм связано в первую очередь с сужением или расширением кровеносных сосудов кожи. Под действием низких температур воздуха кровеносные сосуды кожи сужаются, в результате чего замедляется поток крови к поверхности тела и снижается теплоотдача от поверхности тела за счет конвекции и излучения. При высоких температурах окружающего воздуха наблюдается обратная картина: за счет расширения кровеносных сосудов кожи и увеличения притока крови существенно увеличивается теплоотдача в окружающую среду.

Повышенная влажность (>85%) затрудняет теплообмен между организмом человека и внешней средой вследствие уменьшения испарения влаги с поверхности кожи, а низкая влажность (<20%) приводит к пересыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Движение воздуха в производственном помещении улучшает теплообмен между телом человека и внешней средой, но излишняя скорость движения воздуха (сквозняки) повышает вероятность возникновения простудных заболеваний.

Постоянное отклонение от нормальных параметров микроклимата приводит к перегреву или переохлаждению человеческого организма и связанным с ними негативным последствиям: при перегреве - к обильному потоотделению, учащению пульса и дыхания, резкой слабости, головокружению, появлению судорог, а в тяжелых случаях - возникновению теплового удара. При переохлаждении возникают простудные заболевания, хронические воспаления суставов, мышц и др.

Для исключения перечисленных выше негативных последствий необходимо правильно выбирать параметры микроклимата в производственных помещениях.

В отечественных нормативных документах введены понятия оптимальных и допустимых параметров микроклимата. Оптимальными микроклиматическими условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности.

Допустимыми условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма, сопровождающиеся напряжением механизмов терморегуляции, не выходящим за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья, но могут наблюдаться ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

Для создания требуемых параметров микроклимата в производственном помещении применяют системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а также различные отопительные устройства. Вентиляция представляет собой смену воздуха в помещении, предназначенную поддерживать в нем соответствующие метеорологические условия и чистоту воздушной среды.

Вентиляция помещений достигается удалением из них нагретого или загрязненного воздуха и подачей чистого наружного воздуха.

Для эффективной работы системы общеобменной вентиляции при поддержании требуемых параметров микроклимата количест­во воздуха, поступающего в помещение, должно быть прак­тически равно количеству воздуха, удаляемого из него.

При отклонении параметров микроклимата от величин, создающих комфортные условия, большое значение имеет правильный выбор спецодежды. При работе в помещениях с пониженной температурой воздуха необходимо использовать утепленную спецодежду. Для персонала, занятого в горячих цехах, используют спецодежду, изготовленную из материалов с низкой теплопроводностью.

3.5 Защита от вредных веществ

Для уменьшения содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны применяют следующие мероприятия:

·        Механизация и автоматизация производственных процессов, дистанционное управление ими.

·        Применение технологических процессов и оборудования, исключающих образование вредных веществ или попадание их в рабочую зону. Для уменьшения попадания вредных веществ в рабочую зону большое значение имеет герметизация оборудования.

·        Устройство вентиляции.

·        Применение средств индивидуальной защиты.

Самым распространенным средством снижения содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны является вентиляция. Вентиляция представляет собой организованный и регулируемый воздухообмен, обеспечивающий удаление из помещения воздуха, загрязненного вредными газами, а также улучшающий микроклиматические условия в производственных помещениях.

3.6 Защита от теплового излучения

Тепловым излучением называется процесс, при котором теплота излучения распространяется в основном в форме инфракрасного излучения с длиной волны около 10 мм. Источниками тепловых излучений являются все тела, нагретые до температуры выше температуры окружающей среды. В условиях производства источниками тепловых излучений могут быть наружные стенки котлов и горячих трубопроводов, технологическое оборудование, провода и кабели электросетей, электрические машины и аппараты и др. Расплавленные и раскаленные металлы являются источниками инфракрасных излучений.

Температура нагретых поверхностей производственного оборудования и ограждений на рабочих местах (печей, ванн и др.) не должна превышать 45 °С, а для оборудования, внутри которого температура равна или ниже 100 °С, температура на поверхности не должна превышать 35 °С.

Для защиты людей от вредного воздействия теплового излучения и высоких температур применяют теплоизоляцию горячих поверхностей, например путем обмазки наружных поверхностей котлов и трубопроводов горячей воды каким-либо строительным раствором с наполнителем в виде стекловаты или асбеста. Общей защитой от излучения могут служить экраны из малотеплопроводных материалов (асбест, шифер), а в качестве средств индивидуальной защиты применяются спецодежда (брезентовые или суконные костюмы), очки со светофильтрами, щитки из органического стекла и др.

В горячих цехах существенную роль играет снабжение рабочих питьевой подсоленной или газированной водой, употребление которой улучшает водный баланс организма.

Таблица 2.

Интегральная оценка тяжести труда

T = [ Xmax + ((6-Xmax) ∕ 6∙(N-1)) ∙ ∑Xi ]

T = [3 + ((6-3) ∕ 6∙(14-1))∙(1+2+3+1+2+2+2+2+1+1+2+1+1+1)] ≈ 3,85

Исходя из полученного значения интегральной оценки, определяем, что категория тяжести труда в данном рабочем помещении соответствует III.

К третьей категории тяжести относятся работы, при выполнения которых в организме человека из-за повышенной нагрузки или не вполне благоприятных условий труда формируется начальная стадия пограничного функционального состояния. Основным признаком третьей категории тяжести является замедление физиологических функций. Замедляется выполнение обычных рабочих операций (заданий), снижается индивидуальная производительность труда.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ

4.1 Расчет производственного освещения

В производственном помещении - искусственное освещение. Рассчитать общее освещение цеха. Высота помещения Н = 4,5 м. Напряжение в сети 220 В. Для освещения принять газоразрядные лампы. Разряд работы III.

Исходные данные:

А) Цех имеет размеры: длину 25 м, ширину 15 м;

Б) Коэффициент запаса К=1,3;

В) Коэффициент отражения потолка ;

Г) Коэффициент отражения стенок ;

Д) Коэффициент минимальной освещенности Z=1,2.

Решение:

. Определение расстояния от потолка до рабочей поверхности по формуле

0 = H - hp м,

где hp=0,8 м - высота рабочей поверхности,

H0= 4,5 - 0,8 = 3,7 м

. Определение расстояния от потолка до светильника:

 = 0,2 H0 = 0,2 ∙ 3,7= 0,74 м

. Определение высоты подвеса светильника над освещаемой поверхностью:

Hp = H0 - hc = 3,7- 0,74 = 2,96 м

. Определение расстояния между светильниками:

L = 1,5Нр, при отношении L/Hp достигается наибольшая равномерность освещения.

L = 1,5 ∙ 2,96 = 4,44 м

. Расстояние от крайних рядов светильников до стены:

. Число светильников:

 = (Eн∙S∙Z∙Kз) ∕ (Ф∙ŋ),

где Eн - нормируемая освещенность, Eн = 300 Лк;з - коэффициент запаса, Kз = 1,3;- площадь помещения, S = 375 кв.м;- коэффициент использования светового потока, Z = 1,2;

Ф - световой поток светильника;

ŋ - коэффициент, зависящий от индекса помещения и коэффициентов отражения светового потока от стен (Rc), потолка (Rп) и пола (Rp). Для данного помещения принимаем Rc=50%; Rn=70%; Rp=10%.

Индекс помещения:

,

 = (25∙15) ∕ (2,96∙(25+15)) ≈ 3

Из справочных данных i=3, ŋ=0,46

. Количество светильников:

n = A∙B ∕ L2 = 25∙15 ∕ 4,442 ≈ 22

. Определение светового потока одной лампы осуществляется по формуле:

л = (300∙375∙1,3) ∕ (22∙0,46) = 12524, 7 лм,

где EH = 300 лк определяется по разряду работы по СНиП II-4-79.

Светильники расположим параллельно четырьмя рядами, симметрично, в прямоугольном порядке. Всего используем 24 осветительные установки с четырьмя газоразрядными лампами мощностью 35 Вт в каждой. На рисунке 2 показана схема размещения светильников.

Рисунок 2. Эскиз расположения ламп в цеху

4.2 Защита от шума

Зная, что материал стены - 1 кирпич: Lуст = 110 дБ, Вес 1 м2 перегородки Р = 417 кг.

. Определяем уровень шума в комнате с пультом управления:

 = Lуст. - R,

где эффективность звукоизолирующей преграды R=23lgP-9 (принимаем вес ограждения равный 417 кг/м2).

= 23lg417 - 9 = 51, 3 дБ

LK = Lуст. - R = 110 - 51,3 = 58,7 дБ

. Cопоставляем эффективность звукоизоляции с санитарными нормами.

 £ L доп

,7 дБ £ 78 дБ,

т.к. fср для стен 1 кирпич = 2000 Гц (по данным таблицы Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентного уровня звука на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятий по ГОСТ 12.1.003-83 с дополнениями 1989 г.)

Для уменьшения шума применяют звукоизолирующие кожухи, экраны, кабины.

Задано производственное помещение, представляющее собой в плане прямоугольник со сторонами 25 и 15 м. Высота помещения 4,5 м.

Определить снижение шума от звукозащитных кабин, если в них использована звукопоглощающая облицовка. Размер одной кабины: 6м на 7м. Всего кабин в помещении - 6 штук.

Объем помещения одной кабины V1 = abH = 4,5∙6∙7 = 189 м3. Площадь одной кабины: S1 = 42∙2 + 117 = 201 м2, где площадь пола и потолка = 42 м2, площадь стен = 54+63 = 117 м2.

Для снижения шума предусматриваем звукопоглощающую облицовку потолка и части стен бокса, , начиная с высоты 2 м. Площадь облицовки одной кабины: Sобл1 = 42+65 = 107 м2.

Определим снижение шума в октавной полосе 63 Гц.

. Постоянная помещения при частоте 1000 Гц для одной кабины находится из таблицы, в зависимости от типа помещения:

В1000 = V/20 = 189/20 = 9,45 м2

. Частотный множитель m63 = 0,65. Постоянная помещения при частоте 63 Гц до облицовки:

В63 = m63 ∙ В1000 = 0,65 ∙ 9,45 = 6,14 м2

. Средний коэффициент звукопоглощения в помещении до установки облицовки:

a63 = В63/ (В63+S) = 6,14 / (6,14 + 201) = 0,03

. Коэффициент звукопоглощения предложенной конструкции aобл63 = 0,15

. Добавочное звукопоглощение, вносимое облицовкой:

DА63 = aобл63 ∙ Sобл = 0,15 ∙ 107= 16,05 м2

6. Эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не имеющими звукопоглощающей облицовки:

А163 = a63 ∙ (S - Sобл) = 0,03 ∙ (201 - 107) = 2,82 м2

. Средний коэффициент звукопоглощения помещения с установленной облицовкой:

a163 = (А163 + DА63) / S = (2,82 +16,05) / 201 = 0.094

. Постоянная помещения после облицовки определяется по формуле:

В163 = (А163 + DА63) / (1 - a163) = (2,82 + 16,05)/(1 - 0.094) = 21,32 м2

. Снижение уровня звукового давления:

DL63 = 10lg(B163/B63) = 10lg (21,32/6,14) = 5,4 дБ

Анализ результата расчета показывает, что облицовка в виде слоя супертонкого стекловолокна обеспечивает снижение шума в каждой кабине до 5,4 дБ.

4.3 Электробезопасность

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т.п.).

Здание имеет размеры - 25 на 15 м. Периметр = 80 м. Рассчитать сопротивление защитного заземления для электропитающей установки мощностью 25 кВт. Грунт - суглинок. Производственное здание размещено во второй климатической зоне. Сопротивление растекания естественного тока 20 Ом.

. Определение расчетного нормированного сопротивления.

Расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:

где Uë - линейное напряжение сети = 10кВ; lê, lâ - длина электрически связанных соответственно кабельных и воздушных линий, км. Принимаем значения линий как lê = 50 км, lâ = 60 км. Отсюда:

Iç = 10/350 ∙ (35∙50 + 60) = 51,71 А

Нормативное значение сопротивления заземляющего устройства Rз:

з = 125 / Iз = 125/51,71 = 2,32 Ом

При использовании естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя Rи определяется по формуле:

где Rе - сопротивление растеканию тока естественных заземлителей, Ом; Rи - требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом; Rз - расчетное нормированное сопротивление ЗУ, Ом;

Rи = (20 ∙ 2,32) / (20-2,32) = 2,62 Ом

. Определение расчетного удельного сопротивления грунта.

. Принимаем сопротивление естественных заземлителей равным Re = 20 Ом.

) Вычисляем сопротивление растеканию тока одиночного вертикального за-землителя Rв. В случае стержневого круглого сечения (трубчатого) заземлителя, заглубленного в землю, расчетная формула имеет вид:

где ρв - расчетное удельное сопротивление грунта, Ом·м,;

l - длина вертикального стержня, м;

d - диаметр сечения, мм;

t - расстояние от поверхности грунта до середины длины вертикального стержня, м;

t = l/2 + 0,7 = 3/2 + 0,7 = 2,2 м

t = 0,7

Рассчитаем приближенное количество вертикальных стержней:

где Rв - сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя, Ом;и - требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом;

n` = 52/2,62 = 19,8

Полученное число стержней округляем: n` = 20 штук

) Определяем конфигурацию группового заземлителя (контур) с учетом возможности его размещения на отведенной территории и соответствующую длину горизонтальной полосы:

г = 1,05∙а∙ п,

где а - расстояние между вертикальными стержнями, м,

п - количество вертикальных стержней.

а = k ∙ lв,

где k - коэффициент кратности, примем равным 2; lв - длина вертикального стержня, м.

а = 2∙3= 6м,г = 1,05∙6∙ 20 = 126 м.

Периметр здания = 80 м.

Вычисляем сопротивление растеканию тока горизонтального стержня Rг. В случае горизонтального полосового заземлителя расчет выполняется по формуле:

где ρ - расчетное удельное сопротивление грунта, Ом•м;- длина горизонтальной полосы, м;- ширина полосы, м;- расстояние от поверхности грунта до середины ширины горизонтальной полосы, м;

t = b/2 + 0,8 = 0,06/2 + 0,8 = 0,83 м

0,8 t

b

г = (145 / 2∙3,14∙126) ln ((2∙1262) / (0,06∙0,8)) = 0,82 Ом

Выбираем коэффициенты использования вертикальных стержней (ηв) и горизонтальной полосы (ηг) с учетом числа вертикальных стержней (п) и отношения расстояния между стержнями (а) к их длине (lв).

; ηг = 0,29; ηв = 0,58.

Рассчитаем эквивалентное сопротивление растеканию тока группового заземлителя:

,

где Rв, Rг - соответственно сопротивления вертикального стержня и горизонтальной полосы, Ом;

ηв, ηг - соответственно коэффициенты использования вертикальных стержней и горизонтальной полосы, Ом;- количество вертикальных стержней.

Rгр = (52∙0,82) / (52∙0,29+0,82∙0,58∙20) = 1,73

Полученное сопротивление растеканию тока группового заземлителя не должно превышать требуемое сопротивление: Rгр ≤ Rи,

,73 < 2,62, т.е. полученное сопротивление удовлетворяет необходимому условию.

- заземляемое оборудование; 2 - заземлительный контур; 3 - стены здания; 4 - заземлитель.

Рисунок 3. Эскиз расположения заземлителей.

Заключение

Основными преимуществами лазерной обработки материалов является:

1.       Разнообразие возможных процессов обработки и разнообразие обрабатываемых материалов (включая материалы, которые вообще не поддаются механической обработке);

2.      Высокая скорость выполнения операций по обработке материала;

.        Возможность автоматизации операций и, как следствие (с учетом предыдущего пункта), существенное повышение производительности труда;

.        Высокое качество обработки (прочность сварных швов, гладкость срезов, отсутствие загрязнений обрабатываемой поверхности);

.        Селективность (избирательность) воздействия, когда обрабатываются лишь определенные участки поверхности, а соседние участки не подвергаются при этом каким-либо воздействиям;

.        Осуществление дистанционной обработки материала;

.        Выполнение ряда уникальных операций, в том числе контрольных операций.

В данной работе были обобщены современные представления о лазерной сварке металлов и сплавов на основе сопоставления с традиционными способами сварки, что позволило установить области эффективного использования лазерного излучения при изготовлении сварных соединений и конструкций.