Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ влияния характеристик излучения на форму поверхности металла при интенсивном лазерном воздействии . 16
1.1. Проблемы лазерной обработки металлов. 16
1.2. Вычисление коэффициента поглощения излучения металлами. Типы поляризаций. 21
1.3 Интенсивность многомодового излучения 28
1.4. Математическое моделирование глубины и формы поверхности, разрушаемой под действием сфокусированного лазерного излучения. 31
1.5. Характерные формы поверхности разрушения при различных параметрах лазерного пучка. 35
1.7. Сравнительный анализ влияния длины волны излучения волоконного и СО2 лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла . 42
Выводы к главе 1. 54
Глава 2. Физико-математические модели термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции в ванне расплава при лазерном легировании металла 56
2.1. Исследование течений и тепломассопереноса в расплаве при воздействии на металлическую поверхность лазерного импульса. 56
2.2. Основные приближения теории массопереноса. 68
2.3. Постановка задачи о конвекции жидкости при воздействии лазерного импульса на поверхность металлической подложки 74
2.4. Математическая модель задачи о конвекции жидкости в ванне расплава при наличии ПАВ в составе материала в осесимметричной постановке. 76
2.5. Алгоритм численной реализации модели. Тестовые расчеты для уравнений Навье-Стокса. 83
2.6. Результаты численного моделирования процесса конвекции в расплавленном металле при наличии ПАВ 89
2.7. Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов 104
Выводы 107
Глава 3. Численное исследование процессов конвекции в поверхностном слое металла содержащем ПАВ при воздействии лазерного импульса 108
3.1. Актуальность задачи конвекции при плавлении металла под воздействием лазерного импульса 108
3.2. Результаты численного моделирования процесса конвекции в расплавленном металле при наличии ПАВ 114
3.3. Применение ПАВ для управление процессами конвекции при плавлении поверхности металла под воздействием лазерного импульса 121
Выводы. 127
Заключение. 129
Список литературы. 130
- Интенсивность многомодового излучения
- Сравнительный анализ влияния длины волны излучения волоконного и СО2 лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла
- Постановка задачи о конвекции жидкости при воздействии лазерного импульса на поверхность металлической подложки
- Результаты численного моделирования процесса конвекции в расплавленном металле при наличии ПАВ
Введение к работе
Актуальность исследований
Наиболее массовой областью использования лазеров является обработка материалов, в основе которой в большинстве случаев лежит тепловое воздействие лазерного излучения. Проблемы лазерной обработки материалов изложены в основополагающих монографиях Н.Н. Рыкалина, А.А. Углова, А.Г. Гри-горьянца, В.Я. Панченко с коллегами, а также Дж. Реди (J.F. Ready), Дж. Пауэла (J. Powell) и В. Стина (W. Steen). Вопросы лазерной обработки металлов в последнее время активно обсуждаются на страницах различных научных журналов и обобщены в недавно вышедших монографиях Г.Г. Гладуша, И.Ю. Смурова, В.М. Фомина, А.М. Оришича, О.Б. Ковалева.
Физическая картина разделения листовых материалов лазерным излучением весьма сложна. Оптимизация лазерной резки возможна только на основе глубокого понимания физических процессов, протекающих внутри узкого канала реза. В настоящее время существует проблема использования волоконных лазеров для резки толстых листовых материалов. Суть проблемы в том, что волоконные лазеры с длиной волны в 1,07 мкм имеют высокую мощность до 50–70 кВт, которая в 10 раз превышает мощность технологических СО2-лазеров с длиной волны в 10,6 мкм. У специалистов естественно возникает вопрос, насколько можно использовать такую высокую мощность волоконных лазеров для раскроя толстых листов толщиной до 25 мм и выше.
Характеристики излучения волоконных лазеров позволяют до 3 раз увеличить скорость резки тонких (1–3 мм толщиной) листов металла по сравнению с CO2-лазерами той же мощности. Однако с увеличением толщины материала до 15–25 мм такого превосходства уже не наблюдается. Исследование влияния характеристик лазерного излучения на эффективность разрушения поверхности металла является одной из главных задач данной работы.
Другой проблемой, освещенной в работе, является исследование термогидродинамической конвекции в жидком металле, вызванной воздействием на его поверхность лазерного излучения. Исследования влияния градиента поверхностного натяжения на характер конвекции при плавлении металлов лазерным излучением имеют давнюю историю. Однако многие принципиальные моменты до сих пор остаются невыясненными. К ним относятся механизмы проявления капиллярной термоконцентрационной конвекции, которая возникает при наличии на поверхности поверхностно активных веществ (ПАВ) – химических соединений, вызывающих изменение поверхностного натяжения, и связанная с этим неустойчивость течений расплава при лазерном легировании.
В работах В.С. Майорова подчеркивается, что любые вещества (имеется в виду металлы) не являются абсолютно чистыми и содержат примеси, которые могут вызывать термоконцентрационный капиллярный эффект и являться поверхностно активными. Одним из главных факторов, определяющих качество лазерного легирования, является глубина проникания и равномерность распределения добавляемых в расплав легирующих компонентов. При этом динамика расплава с легирующими примесями детально обычно не исследуется.
Цель работы
-
Провести численное исследование характеристик лазерного излучения (мода, поляризация, длина волны) и определить эффективные режимы его использования при разрушении поверхности обрабатываемого материала.
-
Разработать методику расчета конвективного тепло- и массопереноса в жидком металле, вызванного локальным воздействием на него лазерного излучения.
-
Численно провести моделирование процесса легирования металла, обусловленного добавлением на поверхность легирующих компонентов. Провести анализ динамики развивающихся течений в ванне расплава и изучить их основные закономерности, возникающие при использовании импульсного лазерного излучения.
Научная новизна
-
Численно определены профили поверхности разрушения листовой нержавеющей стали, которые характеризуют эффективность использования СО2- (=10,6 мкм) и волоконного (=1,06 мкм) лазеров, при этом диапазоны толщин максимального разрушения материала на качественном уровне коррелируют с данными экспериментов по эффективности лазерной резки указанными типами лазеров.
-
В нестационарной осесимметричной постановке решена задача о возникновении и развитии в ванне расплава термокапиллярной, а при наличии легирующей примеси – термоконцентрационной конвекции, индуцированной импульсно-периодическим лазерным излучением. Расчеты конвекции примеси графита в расплаве титана получили качественное согласование с экспериментальными данными других авторов.
-
Впервые проведены расчеты по моделированию процесса управления легированием с помощью изменения концентрации ПАВ на поверхности металла. На примере сплава железа с углеродом изучены режимы легирования поверхности с добавлением ПАВ серы, при которых получены наиболее равномерные распределения легирующих добавок в приповерхностном слое.
Научная и практическая ценность работы
-
Теоретически подтверждены ранее предсказанные другими авторами преимущества использования СО2-лазера над волоконным лазером той же мощности для лазерного разрушения и раскроя толстолистовых материалов из нержавеющей стали. Сформулированы практические рекомендации относительно характеристик используемого лазерного излучения (мода, поляризация, длина волны) для эффективного разрушения поверхности металла.
-
Анализ проведенных расчетов и их сопоставление с экспериментальными данными других авторов по конвекции примеси графита в расплаве титана при импульсном лазерном воздействии показал, что графит при легировании титана ведет себя как поверхностно активное вещество.
-
На основе моделирования процессов легирования материалов, влияния ПАВ на характер течения и распределения компонент примеси в ванне расплава
даны практические рекомендации по выбору режимных параметров легирования.
На защиту выносятся физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:
– результаты моделирования процесса разрушения материала под воздействие СО2- и волоконного лазеров, и объяснение причин более эффективного использования излучения с длиной волны =10,6 мкм для раскроя толстолистовой нержавеющей стали;
– результаты моделирования влияния зависимости поверхностного натяжения от температуры и концентрации легирующей примеси на структуру многовихревых течений жидкого металла, геометрию образующейся ванны расплава и анализ изменения характера этих течений при импульсном лазерном воздействии;
– результаты численных исследований возможности управления процессом формирования течений внутри ванны расплава в процессе легирования металлов.
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, построении физических и математических моделей, разработке алгоритмов реализации задач, написании и отладке программ, численном исследовании рассматриваемых процессов, анализе полученных данных, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью применяемых математических моделей, строгой постановкой задач, тщательным тестированием программ, сравнением численных результатов с точными аналитическими решениями в различных предельных случаях, непротиворечивостью получаемых результатов и сравнением выводов теории с экспериментальными данными.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в ИТПМ СО РАН, ИВТ СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
III и IV Всероссийских конференциях «Взаимодействия высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, 2009, 2011.
International Conference “Laser in Manufacturing - LIM 2011”, Munich, Germany, 2011.
XIII и XV Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2007, 2010.
VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск, 2009.
II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли», Новосибирск, 2009.
XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Новосибирск, 2006.
XLIII Международной научной студенческой конференции, Новосибирск, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 116 наименований. Объем диссертации составляет 135 страниц, включая 52 рисунка.
Интенсивность многомодового излучения
Поляризация света - это свойство света, которое характеризуется пространственно-временной упорядоченностью ориентации электрического вектора Ё. Поляризованный свет - это электромагнитные колебания волн, которые распространяются только в одном направлении. Обычный свет распространяется во всех направлениях, перпендикулярных к направлению его движения. Световые волны являются поперечными. Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжнности электрического поля Ё и напряжнности магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Векторы Ё и и выделяют определнное направление в пространстве, занятом волной. Кроме того, Ё и и всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации излучения требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Ё. Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбужднный атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучнный фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определнной длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от не, остальные фотоны быстро покидают объм резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определнную поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
Темп нагрева металла определяется в значительной степени поглощательной способностью материала на заданной длине волны. Поэтому поглощательная А или отражательная R способность металла являются главным критерием при выборе лазерной системы для обработки металлических деталей. Количественно величина А представляет собой отношение поглощенной в металле интенсивности излучения 1а к падающей интенсивности / в определенный момент времени нагрева. Соответственно отражательная способность R=l-A есть отношение отражательной интенсивности излучения к падающей интенсивности [42]. Коэффициент Для каждой точки поверхности можно выделить две поляризации: параллельную (Р) и перпендикулярную (S). поглощения зависит от поляризации луча. Для параллельной поляризации вектор напряженности электрического поля Е находиться в плоскости падения, в которой лежат волновой вектор к и нормаль N к поверхности в данной точке (Рис.2). Для перпендикулярной поляризации вектор Ё располагается нормально к плоскости падения. Коэффициенты отражения излучения для металлов выражаются при помощи известных формул Френеля [42].
Сравнительный анализ влияния длины волны излучения волоконного и СО2 лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла
Сравнивая приведенные YZ-проекции поверхности на рис.14., полученные под действием лазерного излучения с азимутальной поляризацией и модами ТЕМ00, ТЕМ01 и ТЕМ 01 можно сделать вывод, что глубина проникновения лазерного излучения с модой ТЕМ 01 незначительно уступает эффективности излучения с модами ТЕМ0о и ТЕМ01. Формы и глубина каналов всех трех поверхностей имеет существенное сходстве со случаем перпендикулярной поляризации, но в случае с азимутальной поляризацией наиболее эффективным излучениям является мода ТЕМ00.
Из приведенных выше сравнениях видно, что мода ТЕМ 01 с параллельной и радиальной поляризациями является более эффективной на 5-10% по сравнению с модами ТЕМ00 и ТЕМ01, но незначительно,
На основе проведенного анализа результатов расчетов можно сделать вывод, что эффективность мод ТЕМ00 и ТЕМ01 по ширине отличаются примерно в 1,3 раза, также как мода ТЕМ 01. Глубина реза во многих случаях практически не отличается. Радиальная поляризация является более эффективной, для моды ТЕМ01 и ТЕМ 01, а параллельная для моды ТЕМ 01.
Теоретически получено, что основная мода (ТЕМ00) с радиальной и азимутальной поляризациями по эффективности резки не уступает модам ТЕМ01, ТЕМ 01 с параллельной и радиальной поляризациями, но практическая реализация ТЕМ00 с радиальной и азимутальной поляризациями является затруднительной. Расчетным путем показано, что облучаемая поверхность стремится принять такую форму, для которой поглощение излучения становится минимальным. Анализ влияния типа поляризации излучения на форму поверхности металла с большим отношением радиуса пучка к глубине проплавленного материала показал, что эффективность круговой поляризации выше линейной поляризации луча. Сравнительный анализ влияния длины волны излучения волоконного и СО2 лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла.
СО2 лазеры нашли наибольшее применение в области резки металлов и долгое время считались самыми эффективными для технического применения в этой области, опережая по своим показателям все имеющиеся разновидности лазерных приборов. Но в последнее время для резки металлов также стали применятся волоконные лазеры, характеризующиеся высокой мощностью излучения, надежностью и низкой стоимостью. Характеристики излучения этого типа лазеров позволяют до 3 раз увеличить скорость резки тонких листов металла по сравнению с CO2 лазерами той же мощности. Однако с увеличением толщины материала такого превосходства не наблюдается.
Увеличение мощности СО2 лазеров с длиной волны 10,6 мкм позволяет увеличивать толщину разрезаемого материала. Так, например, существуют лазеры мощностью 8 кВт, 10кВт, которыми осуществляется резка металлов до 25-30 мм толщиной, но в процессе разработки и создания еще более мощные лазеры, которые позволяют работать с более толстыми листами металла. В свою очередь волоконные лазеры обладают мощностью 30-50 кВт, и работа над увеличением мощности этих лазеров продолжается. Однако увеличение мощности этих лазеров не позволяет так легко увеличивать толщину разрезаемого материала. Если у волоконных лазеров есть возможность в повышении мощности, то увеличить длину волны излучения, которая составляет 1,07мкм, пока не удается. Изучение причины низкой эффективности волоконного лазера для резки толстолистовых металлов при достаточно высокой мощности в пучке является актуальной задачей, решению которой посвящено немало работ[47-51].
Качество лазерной резки характеризуется величиной шероховатости кромки реза. Сравнения результатов экспериментальных исследований образцов после лазерной резки обоих типов лазеров не дают полного объяснения причин различия в качестве. На рис. 15,16 показано сравнение шероховатости поверхности для двух типов лазеров, выполненные Институтом сварки (Великобритания) [52] и компанией Mitsubishi (Япония) [53]. В диапазоне толщин, показанных на рисунках, величина шероховатости кромки реза остается низкой для СО2-лазера, однако для волоконного лазера шероховатость кромки реза имеет устойчивый рост по мере роста толщины материала, особенно это заметно в нижней части реза, рис. 16.
На интенсивность нагрева и разрушения поверхности большое влияние оказывает поглощательная способность металлов, которая зависит от многих факторов, в том числе от температуры поверхности, длины волны и т.д. К основным физическим процессам при воздействии излучения на металлы при лазерной резке следует отнести поглощение и отражение излучения, а также распределение поглощенной энергии внутри реза.
Постановка задачи о конвекции жидкости при воздействии лазерного импульса на поверхность металлической подложки
На сегодняшний день разработано и применяется большое количество методов решения уравнений Навье-Стокса. Основы вычислительной гидродинамики и ее дальнейшее развитие заложены в работах Н.Н. Яненко, О.М. Белоцерковского, А.А. Самарского, С.К. Годунова, Ю.И. Шокина, В.М. Ковени, Б.Н. Четверушкина, В.И. Полежаева, С. Патанкара, П.Роуча, К. Флетчера и др. Вместе с тем высокие требования к качеству и точности вычислительного эксперимента сохраняют актуальность дальнейшего развития алгоритмов реализации моделей, включающих описание сложных взаимосвязанных процессов, к которым относятся лазером индуцированные течения в ванне расплава.
При реализации модели (2.4.1)-(2.4.17), которая включает в себя уравнения Навье-Стокса и конвективного тепло- и массопереноса, применялся конечно-разностный алгоритм [81]. Для аппроксимации уравнений в расчетной области использовалась пространственная сетка вида r/=Ax-z, i = 0,...J, zk=Az-k, к = 0,...,К, Ar = rg /I, Az = zg/K, которая разбивает расчетную область на IxK ячеек. Вдоль временной переменной используется равномерная сетка с шагом т. Разностные уравнения строились посредством аппроксимации балансных соотношений, получаемых интегрированием уравнений (2.4.1), (2.4.7), (2.4.12) с использованием соответствующих граничных условий. При аппроксимации (2.4.7) в области расплавившегося материала, по аналогии с методами типа MAC и SIMPLE [82, 83], составляющие скоростей u, w определялись в серединах боковых граней ячеек, а давление p рассчитывалось в центрах ячеек (рис.32). Распределение температуры и концентрации растворенного вещества в расчетной области описывается их значениями в узлах сетки. -О к
Порядок проведения расчетов следующий. Первоначально рассчитывается разогрев подложки под влиянием энергии лазерного луча. После появления жидкой лунки на каждом временном шаге вычисляется температурное поле и определяется граница фазового перехода. Подстановка рассчитанных значений температуры в уравнения количества движения делает возможным определение составляющих поля скоростей. Далее с использованием метода искусственной сжимаемости [84] вычисляется давление. Проводится несколько итераций по согласованию распределения давления и скоростей. Условием прекращения расчетов является выполнение неравенства: maxV-u A, где А - заданное малое число. На последнем этапе вычислений рассчитывается распределение легирующей примеси в расплаве. Решение алгебраических систем, получаемых при неявной аппроксимации уравнений движения и тепломассопереноса, осуществляется итерационным методом блочной последовательной верхней релаксации [81].
После завершения лазерного импульса расчеты продолжаются до момента полного затвердевания материала подложки. Конвективное перераспределение примеси происходит только в расплаве, а в затвердевшей области фиксируются последние рассчитанные значения.
Давление определялось с использованием метод искусственной сжимаемости [95]. Посредством добавления в уравнение неразрывности фиктивной псевдо-временной (по времени ) производной от давления, в модель вводится понятие сжимаемости, то есть где - коэффициент искусственной сжимаемости. На каждом временном шаге по физическому времени выполняются итерационные шаги по псевдовремени t. В процессе установления итераций невыполнение уравнения неразрывности приводит к изменению поля давления и последующей перестройке поля скорости через уравнение движения. В результате сходимости итераций по псевдовремени поля скорости и давления удовлетворяют исходной системе уравнений Навье-Стокса. Коэффициент искусственной сжимаемости подбирался в ходе численных экспериментов с целью минимизации количества итераций при получении необходимой точности.
Результаты численного моделирования процесса конвекции в расплавленном металле при наличии ПАВ
На рис 39а представлен график поля концентрации в момент времени 2,1мс. На фоне поля концентрации внутри ванны расплава изображены линии тока с указанием направления течения жидкости. Черным пунктиром обозначена граница фазового перехода. На данном графике мы наблюдаем одновихревое течение жидкости от центра к периферии ванны расплава. Такой характер течения влияет на накопление максимальной концентрации легирующих компонент на периферии ванны. На серии графиков рис. 39 (б)-(г) мы наблюдаем рост концентрации на периферии ванны расплава за счет сохранения основного одновихревого течения жидкости. Возникновение небольших центров вихрей внутри основного течения не оказывает значительного влияния на распределения примеси в расплаве. На рис. 39д,е мы наблюдаем зарождение и начало развития двухвихревой картины течения, где появляется вихрь, направленный от периферии к центру ванны расплава. Первоначальное течение от центра к периферии в данный момент времени имеет некоторое превосходство по скорости, поэтому поток концентрации продолжает развитие на периферии жидкой лунки. В момент времени 4,4мс и 4,8мс (рис 39ж,з) наблюдаем усиление течения от периферии к центру ванны расплава. Наличие промежуточной трехвихревой структуры течения, которая затем меняется на двухвихревую структуру течения направленную от периферии к центру ванны расплава, оказывает существенное влияние на развитие поля концентрации в жидкости. Мы наблюдаем начало процесса разворота течения потока концентрации легирующих частиц, и перенос их из накоплений на периферии в центральную часть жидкой лунки. В момент времени 5,9мс (рис 39и) в ванне расплава сформировалось одновихревое течение от периферии к центру ванны расплава, которое переносит легирующие компоненты в центр жидкой лунки, формируя поток частиц в самом центре вихревого течения. На рис 39к мы наблюдаем продолжение переноса легирующих компонент внутри всей области жидкой лунки. Легирующие компоненты распределены практически во всей области ванны расплава, максимальная концентрация наблюдается в центре вихревого течения. В момент времени 12мс (рис 39л) мы наблюдаем процесс затвердевания образовавшегося расплава. Пунктиром обозначена граница фазового перехода и наличие линий тока внутри сохранившейся жидкости. После момента остывания и затвердевания мы видим, что легирующие компоненты сохранили структуру распределения, и в металлической подложке образовалась область металла, с наличием примеси, что характерно для процесса легирования металла.
Описанные фрагментации микрофильмов демонстрируют процессы, происходящие в ванне расплава под действием импульсного лазерного излучения. Зафиксированы моменты изменения направления течения внутри жидкой лунки, изменение потока легирующих частиц и характер их распределения в жидкости. Полученные расчеты позволяют сделать вывод о существенном влиянии концентрации легирующих компонент на коэффициент поверхностного натяжения, что оказывает влияние на основное направление и характер течения жидкости в лунке.
Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов Предпринята попытка сопоставления расчетов с результатами экспериментальных исследований при импульсном лазерном взаимодействии с титановой подложкой, на которую предварительно наносился тонкий слой порошка из графита [4]. Для примера шлиф подобного образца приведен на рис. 40.
В этих экспериментах графитовый порошок играл роль примеси и маркера, который был хорошо виден на шлифах (рис. 41). Это позволяло визуализировать направления вихревых течений и определять степень перемешивания и проникновения примеси. Основные параметры эксперимента: материал подложки – титан, порошок графита (слой около 10мкм), импульсное излучения длительностью около 8мс, энергия импульса 30,5Дж, размер пучка 0,72мм. 104
Рис. 40. Шлиф образца титана с графитом, полученный авторами [4].
Рис. 41. Структура распределение примеси в расплаве - - - – схема границы фазового перехода
На рис. 41 представлен вариант решения задачи для сопоставления полученных численных расчетов с экспериментальными данными, представленными в работе [4]. С параметрами, соответствующими вышеперечисленным экспериментальными параметрам излучения на рис. 41 отображает структура распределения примеси в расплаве металла. В условиях интенсивного разогрева подложки преобладает центробежное течение с нисходящим потоком вблизи завихрения в области зеркала расплава у границы фазового перехода, это приводит к тому, что легирующая добавка проникает внутрь ванны расплава, а в центральной части лунки жидкость движется по восходящему потоку, что приводит к выталкиванию легирующего вещества наверх. У внешней границы ванны расплава наблюдается противоположно направленное течение жидкости, которое увлекает часть легирующих компонент на периферию ванный расплава.
При качественном сопоставлении экспериментальных и расчетных данных видно сходство в характере течения жидкости в жидкой лунке и 105 распределения легирующих компонент внутри ванны расплава, на основании которого можно сделать вывод о справедливости выдвинутых приближений для решения вышеизложенной задачи. Так как задача решалась в осесимметричной постановке, то расчетные данные распределения примеси представлены симметричными, в отличие от экспериментальных данных, которые демонстрируют несимметричность распределения примеси в ванне расплава за счет влияния большого количества параметров, как лазерного излучения, так и самого материала.
Похожие диссертации на Численное моделирование взаимодействия излучения с металлами при лазерной резке и легировании
