Численное моделирование взаимодействия излучения с металлами при лазерной резке и легировании

• Автор: Смирнова, Елена Михайловна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Анализ влияния характеристик излучения на форму поверхности металла при интенсивном лазерном воздействии
1.1. Проблемы лазерной обработки металлов
1.2. Вычисление коэффициента поглощения лазерного излучения металлами.
Типы поляризаций
1.3 Интенсивность многомодового излучения
1.4. Математическое моделирование формы поверхности, разрушаемой под действием сфокусированного лазерного излучения
1.5. Характерные профили поверхности разрушения при различных параметрах лазерного пучка
1.6. Сравнительный анализ влияния длины волны излучения волоконного и
СОг-лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла
Выводы
Глава 2. Физико-математические модели термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции в ванне расплава при лазерном легировании металла
2.1. Исследование процессов тепломассопереноса в расплаве металла при воздействии на его поверхность импульсного лазерного излучения
2.2. Основные приближения теории массопереноса
2.3. Постановка задачи о тепломассопереносе и конвекции жидкости при воздействии лазерного импульса на поверхность металлической подложки
2.4. Математическая модель конвекции жидкости в ванне расплава при наличии поверхностно-активных веществ
2.5. Алгоритм численной реализации модели. Тестовые расчеты для уравнений Навье-Стокса
2.6. Численное моделирование конвекции в расплаве металла при наличии на поверхности легирующего компонента
2.7. Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов
Выводы
Глава 3. Численное исследование конвекции в поверхностном слое металла, содержащем поверхностно-активные вещества, при воздействии импульсного лазерного излучения
3.1. Актуальность задачи конвекции примеси при плавлении металла под действием лазерного импульса
3.2. Расчеты конвекции расплава при изменении содержания поверхностноактивного вещества в исходном составе материала подложки
3.3. Применение поверхностно-активных веществ для управление процессом
легирования поверхности металла под действием лазерного импульса
Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
За последние 50 лет лазеры нашли свое применение в различных областях науки и техники. Темпы развития лазерных технологий очень высокие, а многообразие лазеров постоянно растет. Насчитывается несколько сотен областей использования лазеров на практике. Наиболее массовой областью использования лазерной техники является в настоящее время лазерная обработка материалов, в основе которой лежит в большинстве случаев тепловое воздействие лазерного излучения.
Создание в 70-х гг. газовых лазеров непрерывного действия повышенной мощности (свыше 1 кВт) открыло новые перспективы в применении лазерной техники. С их появлением область использования лазерного луча для обработки материалов расширилась от микроэлектроники и приборостроения до многих энерго- и материалоемких отраслей промышленности, таких как машиностроение, электротехническая промышленность, металлургия и т.д. Этому способствовали уникальные свойства лазерного излучения как инструмента при обработке материалов. Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые результаты по свойствам обрабатываемых материалов. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет как общие особенности, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам, так и свои специфические преимущества, среди которых можно выделить две большие группы.
1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность действия. Это позволяет произвести обработку только малого участка материала без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. В результате достигаются экономические и технологические преимущества. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение
обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия. В результате открывается возможность получения уникальных свойств обработанной поверхности.
2. Высокая технологичность лазерного луча, что подразумевает возможность регулирования параметров обработки в очень широком интервале режимов, легкость автоматизации процесса, возможность обработки на воздухе, исключение механического воздействия на обрабатываемый материал, отсутствие вредных отходов, возможность транспортировки излучения и др.
В результате удается реализовать такой широкий круг технологических процессов и методов обработки материалов (сварка, наплавка, маркировка, закалка, резка и др.), который недоступен другим видам инструмента.
Лазерная резка является технологией, позволяющей бесконтактно осуществить раскрой листов металла с помощью сфокусированного лазерного луча и вспомогательных газов, подаваемых в зону термической обработки с необходимым давлением.
Одно из основных преимуществ лазерного раскроя материалов, является качественная поверхность у срезаемой кромки. Это даёт возможность отказаться от дальнейшей шлифовки детали. Сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания.
Наряду с традиционным использованием мощных С02-лазеров для резки металлов, в этой области также находят применение и волоконные лазеры.