Численное моделирование взаимодействия излучения с металлами при лазерной резке и легировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Смирнова, Елена Михайловна
- Специальность ВАК РФ01.02.05
- Количество страниц 135
Оглавление диссертации кандидат наук Смирнова, Елена Михайловна
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
С02-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 поверхностно-активного 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
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы», 01.02.05 шифр ВАК
Математическое моделирование теплофизических явлений при лазерном легировании металлов2000 год, кандидат физико-математических наук Вотинов, Георгий Николаевич
Микро- наноструктуры и гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой микроскопии2009 год, доктор физико-математических наук Прокошев, Валерий Григорьевич
Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения2014 год, кандидат наук Кузнецов, Петр Михайлович
Исследование влияния физико-химических воздействий на структуру и свойства шва при лазерной сварке металлов2014 год, кандидат наук Дроздов, Владимир Олегович
Закономерности формирования поверхностных слоев металлов и сплавов при электровзрывном легировании2008 год, доктор технических наук Будовских, Евгений Александрович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование взаимодействия излучения с металлами при лазерной резке и легировании»
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
з
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.
Волоконный лазер конструктивно принципиально отличается от классических лазеров. Активным элементом этого лазера является кварцевое оптическое волокно, легированное иттербием, эрбием и реже другими элементами. Накачка волоконного активного элемента осуществляется специальными лазерными диодами. Мощные волоконные лазеры представляют собой стойку с накачивающими модулями по 200 или 350 Вт светового выхода, внутри которых содержится десятки таких первичных диодов. Классического резонатора в этом лазере нет, точнее он выполнен интегральной технологией на самом оптоволоконном резонаторе, излучение выводится из лазера по оптоволоконному кабелю и доставляется прямо к технологической головке.
Из конструктивных особенностей следуют основные новые свойства
[1]:
• Высокий ресурс диодов накачки не менее 50000 часов.
• Отсутствие локальных энергетически высоконагруженных мест, как следствие некритичность к качеству охлаждения.
• Низковольтная конструкция менее 24 В
• Высокий КПД - 22-25%, что более чем в 2 раза выше КПД СОг-систем и в 7-10 раз выше КПД твердотельных лазеров.
• Очень высокое качество излучения, для многомодовых мощных моделей, лучшее или сравнимое с качеством лучших С02-систем, для одномодовых качество излучения еще на порядок выше.
• Компактность лазера, особенно в сравнении с СОг-лазерами.
• Длина волны излучения 1,07 мкм близка к волне излучения УАв-лазеров, и для фокусировки может быть использована классическая стеклянная и кварцевая оптика.
Модельный ряд лазеров в настоящее время включает излучатели непрерывного режима одномодовые от 50 до 750 Вт и многомодовые от 1000 до 20000 Вт, а также импульсные лазеры для маркировки мощностью от 5 до 25 Вт. [1]
Лазерная резка металлов с использованием волоконных лазеров является на данный момент одним из самых экономически обоснованных вариантов. В этой области волоконные лазеры имеют ряд преимуществ перед традиционными С02-лазерами. Они достаточно экономичны по расходу электроэнергии. Также нет необходимости в периодической сложной юстировке станка лазерной резки и т.д. Однако наряду со всеми преимуществами при резке толстолистовых материалов волоконные лазеры испытывают трудности, что является предметом исследований ряда ученых.
Распространенным применением лазеров для обработки металлов является лазерное легирование и наплавка. С помощью этих процессов на поверхности сплавов получают слои с уникальными свойствами: высокой износостойкостью, теплостойкостью и т.д. Наибольшее распространение получает лазерная наплавка с целью восстановления изношенных деталей машин. Процесс отличается минимальными деформациями детали и повышенной износостойкостью поверхности.
Наиболее часто легирование металлов осуществляется оплавлением поверхности с помощью импульсно-периодического или непрерывного лазерного излучения с легирующими компонентами, предварительно нанесенными на поверхность. Более производителен процесс лазерного легирования с подачей присадочного материала, в виде порошка, в зону обработки. Чаще всего в данном процессе используют непрерывное излучение, обеспечивающее синхронизацию подачи присадки и воздействия излучения [3].
В настоящее время происходит непрерывное усовершенствование и расширение областей применения традиционных видов лазерной обработки. Это требует углубленного изучения физики процессов в широком диапазоне интенсивностей, времени воздействия и свойств обрабатываемых материалов с глубоким проникновением излучения в материал.
Целью диссертационной работы является
1. Численное исследование влияния параметров излучения (мода, поляризация, длина волны) на форму и глубину разрушения материала, определение наиболее эффективных режимов использования излучения при разрушении металлов.
2. Исследование термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции в ванне расплава под действием лазерного излучения. Анализ влияния концентрации поверхносто-активных веществ (ПАВ), содержащихся в составе или добавляемых на поверхность исследуемого материала, на возникновение под действием импульсного лазерного излучения многовихревой структуры течения в образующейся ванне расплава.
3. Анализ влияния концентрации ПАВ, находящихся на свободной поверхности исследуемого металла, на процесс формирования многовихревой структуры течения для более однородного распределения легирующих компонентов внутри образующейся жидкой лунки.
Новыми научными результатами диссертационной работы являются:
1. Результаты численного моделирования, в которых определены параметры максимальной глубины разрушения подложки из нержавеющей стали, которые на качественном уровне позволили провести сравнительный анализ эффективности использования излучения СО2- и волоконного лазеров. Показано, что расчетные диапазоны толщин разрушаемого металла хорошо коррелируют с данными известных из литературы экспериментов, где в обобщенном виде приведены разделения областей предпочтительного применения двух типов лазеров (с длинами волн излучения в 1,07 и 10,6 мкм) по качеству кромок реза с привязкой к толщине разрезаемого материала. Теоретически подтверждены ранее предсказанные другими авторами преимущества использования С02-лазера над волоконным лазером той же мощности для лазерного разрушения и раскроя толстолистовых материалов из нержавеющей стали.
2. Численно решена задача о возникновении термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции внутри ванны расплава под действием импульсного лазерного излучения. Расчеты конвекции примеси графита в расплаве титана получили качественное согласование с экспериментальными данными других авторов, при этом показано, что графит при легировании титана ведет себя как поверхностно активное вещество.
3. Впервые проведены расчеты по моделированию управления лазерным легированием металла с помощью изменения концентрации поверхностно-активных веществ на обрабатываемой поверхности. Показано, при каких режимах можно получить наиболее равномерное распределение легирующих добавок внутри обрабатываемого поверхностного слоя.
4. Практическая значимость
1. На основе проведенных исследований, сформулированы практические рекомендации по типу лазера (волоконный, С02) для эффективного разрушения поверхности металла, а также подбор моды и поляризации лазерного излучения для разрушения более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм с шириной разреза от 0,4 до 2,6 мм.
2. На основе анализа результатов моделирования процессов легирования материала и влияния ПАВ на характер течения расплава в ванне и распределения легирующего вещества, даны практические рекомендации по подбору режима легирования металлов.
3. Результаты работы могут быть использованы на промышленных установках, что позволит повысить эффективность лазерной обработки листовых материалов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Достоверность полученных результатов и выводов основана на проверке численных расчетов в сравнении с известными аналитическими решениями, а также данными экспериментов и расчетными данными в работах других авторов.
На защиту выносятся все физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений.
К числу главных защищаемых результатов следует отнести:
- Расчеты по влиянию длины волны, поляризации и моды лазерного излучения на форму и глубину разрушаемой поверхности. Результаты численного моделирования по определению наиболее эффективных параметров для резки металла волоконным и С02 лазерами.
- Постановка задачи для термокапилярной и термоконцентрационной конвекции в ванне расплава под действием импульсного лазерного излучения
- Результаты численного моделирования распределения легирующих добавок в металле при различных концентрациях ПАВ на поверхности металла или содержание ПАВ внутри материала, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре «Математическое моделирование в механике» в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН под руководством академика В.М. Фомина, на Объединенном семинаре «Информационно-вычислительные технологии» под руководством академика Ю.И. Шокина и проф. В.М. Ковени в Институте вычислительных технологий СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
1. IV Всероссийской конференции «Взаимодействия высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2011.
2. International Conference "Laser in Manufacturing - LIM 2011", Munich, Germany, 2011.
3. XIII и XV Международные конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR ), Novosibirsk, 2007, 2010.
4. VII Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2009.
5. III Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2009.
6. II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли», Новосибирск, НГАСУ, 2009
7. XII - Всероссийские научные Конференции Студентов-Физиков и молодых ученых, Новосибирск, 2006
8. ХЫП Международная Научная Студенческая Конференция-, Новосибирск, 2005.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах и в 10 материалах всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора
В процессе выполнения работ по теме диссертации, диссертант принимала активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.
Краткое содержание работы по главам
Первая глава содержит детальное описание физических процессов и
явлений, сопровождающих процесс разрушения металла под действием
лазерного излучения. Первая часть этой главы содержит обзор работ других
авторов, работающих в данной области, обсуждаются проблемы, которые
возникают в процессе лазерного разрушения материалов, какие практические
методики существуют на текущий момент. Описана математическая модель,
ю
взятая за основу численного моделирования процесса лазерного разрушения материалов. Представлены формулы, использующиеся для моделирования лазерного излучения с различными параметрами (мода, поляризация и длина волны). Представлены расчеты сравнения эффективности разрушения материала при различных модах и поляризациях лазерного излучения С02-лазера. Во второй части первой главы, применяя модель, описанную ранее, были проведены численные расчеты по моделированию процесса разрушения материала под действием лазерного излучения с разными длинами волн 1,06мкм и 10,6мкм, которые характерны для волоконного и С02-лазера, соответственно. На основе модельных представлений о взаимодействии лазерного излучения с металлами представлены результаты расчетно-теоретического исследования влияния длины волны излучения Л с тремя видами поляризаций пучка на форму разрушаемой поверхности листовой нержавеющей стали при вариации мощности лазера и толщины материала. Полученные результаты численных расчетов показали хорошую корреляцию с известными экспериментальными результатами, опубликованными организациями Mitsubishi-Japan и Welding Institute - UK, позволяющие сделать вывод о причинах низкой эффективности (низкое качество) волоконных лазеров по сравнению с С02-лазерами той же мощности при резке толстых листовых материалов (толщиной от 8 до 30мм), и напротив, высокой эффективности (высокая скорость и качество) волоконных лазеров по сравнению с С02-лазерами при резке тонких листовых материалов (толщиной от 1 до 4мм).
Во второй главе рассматривается задача о процессе конвективного
тепломассопереноса при легировании поверхностного слоя металла,
содержащего поверхностно-активное вещество с помощью энергии
лазерного импульса. В первой части второй главы проводится обзор работ
авторов, ведущих теоретические и экспериментальные исследования в
области термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции.
Обсуждаются проблемы, возникающие в процессе лазерного легирования и
11
I '
t '
пути из решения на практике. Приведены экспериментальные результаты зарубежных авторов, демонстрирующих разные варианты распределения примеси внутри расплавленного металла при различных условиях лазерной обработки. Во второй части второй главы предлагается математическая модель, описывающая процессы тепло- и массопереноса, протекающие под воздействием энергии лазерного импульса в поверхностном слое металлической подложки, при наличии в ее составе поверхностно-активных веществ. Представлены формулы для расчета, как поверхностного натяжения, так и его градиента по температуре в зависимости от концентрации легирующего компонента и температуры на поверхности жидкого металла. Проведенный анализ работ указывает на значительное влияние концентрационной составляющей, которая особенно важна при изучении лазерного легирования или наплавки. Представлены тестовые расчеты, демонстрирующие хорошую точность выбранного алгоритма, для решения поставленной задачи. В третьей части второй главы приведены результаты численного моделирования процесса лазерного легирования в динамике. Представлены фрагментации микрофильмов в виде двумерных картин поля скоростей течения, распределения температуры и концентрации в области ванны расплава в различные моменты времени от начала нагрева до конца импульса и полного затвердевания области обработки. На полученных графиках представлен характер течения расплава в жидкой лунке и этапы изменения направления движения жидкости, в том числе распределения примесной компоненты. С использованием полученных расчетных данных проведено качественное сравнение рассчитанной картины распределения легирующей добавки графита в ванне расплава титана после остывания с экспериментальными шлифами образцов, представленных в работе [4].
В третьей главе рассматривается физическая задача импульсного
воздействия луча лазера с поверхностью подложки, содержащей ПАВ в
составе металла и покрытой слоем порошка легирующего материала. В
12
качестве исследуемого материала использовалось железо с содержанием серы Cs =0-0,04 % от массы. Под воздействием лазерной энергии происходит разогрев металла и его плавление. В образовавшейся и увеличивающейся со временем жидкой лунке развивается капиллярная и термогравитационная конвекция. В основу задачи о моделировании данного процесса была взята модель, описанная во второй главе. Представлены расчеты влияния ПАВ на характер распределения примеси внутри ванны расплава и на равномерность распределения легирующей добавки. Во второй части третьей главы решается задача о применении ПАВ в качестве инструмента управления процессом легирования, для получения более равномерного течения жидкости в ванне расплава и как следствие более однородного распределения примеси в процессе легирования. На поверхность материала наносилась композиция из порошка легирующего материала и поверхностно-активного вещества. Описаны изменения в граничных условиях на зеркале расплава, относительно модели, описанной во второй главе. Приведены параметры расчетов и графики распределения концентрации примесных компонент, при которых удается получить наиболее равномерное распределение примеси в расплаве. Приведенные расчеты могут быть использованы в разработке практических рекомендаций по технологии гомогенизации расплава при легировании поверхностного слоя металла и повышения эффективности уже существующих технологий.
В заключение диссертации приводятся основные результаты и выводы.
Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям Ковалеву О.Б. и Попову В.Н., а также Зайцеву A.B., за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов.
Глава 1. Анализ влияния характеристик излучения на форму поверхности металла при интенсивном лазерном воздействии.
1.1. Проблемы лазерной обработки металлов.
Лазеры практически всех существующих в настоящее время типов появились в первой половине 60х годов прошлого столетия. Они с разной скоростью внедрялись в различные области, что определялось уровнем развития технологий и глубиной понимания их потенциальных возможностей. Из всех видов лазерных технологий, использующихся в настоящее время в различных отраслях промышленности, наибольшее применение нашла технология газолазерной резки металлических и неметаллических материалов [5].
Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также рядом специфических особенностей.
В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается вглубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения - кипения, при которой металл начинает активно испаряться.
Таким образом, возможны два механизма лазерной резки - плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости
разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной [6].
обрабатываемый металл
„ лазерный луч
направление резки -■->
слои расплавленного металла
? газ
Расплавленный металл, шлак
Рис.1. Схема лазерной резки Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:
• вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;
• затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;
• кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.
В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом - значительный вклад в общий
тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.
При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др. [7].
В период развития мощных газовых лазеров С02-лазеры считались наиболее эффективным для обоих механизмов лазерной резки. Однако в 1990 году началось быстрое развитие твердотельных волоконных лазеров. Были открыты возможности по существенному увеличению мощности лазерного излучения от 100 мВт до 2 Вт, что позволило говорить о появлении мощных волоконных лазеров. Стремительное развитие науки и техники в этой области позволяет производить волоконные лазеры с мощностью более 30кВт, и работы в этом направлении продолжаются. Таким образом наряду с мощными С02-лазерами в области лазерной резки нашли применение и мощные волоконные лазеры [5, 7,8].
Российские и зарубежные организации активно занимаются изучением проблем лазерной обработки материалов. Ниже приведены основные НИИ, вузы и ведущие организации по данной тематике:
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН), г. Шатура Московской обл;
Институт проблем механики РАН (ИПМех РАН), г. Москва;
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. (СПбГПУ, РФФ) г. Санкт-Петербург;
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СОР АН), г. Новосибирск;
Fraunhofer Institute IWS, Winterbergstraße, Dresden, Germany;
Lappeenranta University of Technology, Finland (V. Kujanpää, С. Wandera);
Lulea University of Technology, Lulea, Sweden (J. Powell, A.F.H. Kaplan).
Требования к качеству изделий, получаемых путем обработки лазерными технологиями, повышается с каждый годом. Возникает необходимость более точного описания происходящих физико-химических процессов. Однако удовлетворительное описание процессов, характерных для лазерной обработки металлов, в настоящее время отсутствует, несмотря на большое количество работ в этой области [9-40].
Похожие диссертационные работы по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы», 01.02.05 шифр ВАК
Механизмы и закономерности формирования механических свойств поверхностных слоёв металлических сплавов при селективной лазерной обработке2022 год, кандидат наук Симонов Юрий Владимирович
Исследование влияния пространственно-временного распределения энергии на фазовые переходы при импульсных энергетических воздействиях на полупроводники1998 год, кандидат физико-математических наук Антонова, Ландыш Халяфовна
Особенности и механизмы физических явлений и процессов, происходящих при лазерной обработке материалов2001 год, доктор физико-математических наук Майоров, Владимир Сергеевич
Трехмерное моделирование процессов теплопереноса и фазовых переходов в системах лазерной наплавки с учетом внешнего ультразвукового воздействия2021 год, кандидат наук Хамидуллин Булат Альбертович
Модифицирование поверхности и формирование неравновесных структур ионными и лазерными пучками1999 год, доктор физико-математических наук Фоминский, Вячеслав Юрьевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнова, Елена Михайловна, 2014 год
Список литературы.
1. Скрипченко А.И., Смирнов Н.В. Новая «лазерная» революция и её перспективы. Лазерные Технологии. 2010
2. http://osvarke.com-10.2012
3. http://volgalaser.in-s.ru/html/lazer_v_/poverh_pokr.html/ - 10.2012
4. Smurov I., Covelli L., Tagirov К., Aksenov L.. Peculiarities of pulse laser alloying: Influence of spatial distribution of the beam // J. Appl. Phys. 1992. Vol.71 (7). P. 3147-3158.
5. Бертолотти M. История лазера: Научное издание. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011.
6. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006.
7. Панченко В.Я., Голубев B.C., Васильцов В.В. и др. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок/ Под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит. 2009.
8. Steen W., Mazumder J. Laser Material Processing. 4th Edition. Springer-Verlag London Limited. 2010.
9. Прохоров A.M., Конов В.И., Урсу И., Михэилеску И.Н.. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. - М: Наука, 1988.
10. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. - М: Наука,
1988.
11. Li Y., Lathan W.P., Kar A. Lumped parameter model for multimode laser cutting. // Optics and Lasers in Engineering, 35 (2001) pp.371-386.
12. Оришич A.M., Шультяев В.Б., Константинов C.A. Резка стали излучением С02 лазера с самофильтрующим резонатором.
13. Ковалев О.Б., Зайцев А.В. Моделирование формы свободной поверхности при лазерной резке металлов. Влияние поляризации гауссова
пучка на форму поверхности образующейся поверхности. // ПМТФ, 2005, Т.35, №2
14. Steen W. M. Laser Material Processing // Third Edition, L.: Springer,
2003.
15. Pawell J. C02 -laser cutting. // L.:Springer-Verlag, 1998.
16. Ready J.F., Farson D.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing 20 //Laser Institute of America, 2001.
17. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. // М.: Энергоатомиздат, 1985.
18. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. // М.: Машиностроение, 1988 .
19. Голубев B.C. Лазерные макротехнологии: современное состоя ние итенденции развития // Перспективные материалы. 2005, № 1. С. 5-12.
20. Макашов Н.К., Асмолов Е.С., Блинков В.В. и др. Газогидродинамика резки металлов непрерывным лазерным излучением в инертном газе. // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 9. С. 910-915.
21. Ковалев О.Б., Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Сопряженные задачи механики сплошных сред в процессах газолазерной резки металлов//ПМТФ. 2001. Т.42,№6. С.106-116.
22. Голубев B.C. О механизмах удаления расплава при газолазерной резкематериалов// E-принт ИПЛИТ РАН, № 3, 2004
23. Базылева И.О., Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дубровина Е.А., Карасев В.А. Термические потери в процессе газолазерной резки металлов // Сборник трудов ИПЛИТ РАН 2005.
24. Веденов A.A., Иванов О.П., Черняков А.Л. Теория разрушения поверхности непрозрачных материалов лазерным излучением //Квантовая электрон. 1984. Т.11, № 12. С. 2397-2404.
25. Черепанов Г.П., Черепанов А.Г. О форме и глубине реза лазерным лучом // Физика и химия обраб. Материалов. 1990. №2. С. 133-137.
26. Schulz W., Simon G., Urbassek H. M., Decker I. On laser fusion cutting of metals // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) pp. 481-488
27. Нестеров A.B., Низьев В.Г. Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией // Изв. РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, № 10. С. 2039-2046.
28. Nesterov A.V., Niziev V.G. Propagation features of beams with axially symmetric polarization // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 3 (2001) S215-S219 101
29. Nesterov A.V., Niziev V.G. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1455-1461.
30. Nesterov A.V., Niziev V.G. Laser beams with axially symmetric Polarization // J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) pp. 1817-1822.
31. Nesterov A.V., Niziev V.G., Yakunin V.P. Generation of high-power radially polarized beam // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 2871-2875
32. Chun-Hui Niu, Ben-Yuan Gu, Bi-Zhen Dong, Yan Zhang. A new method for generating axially-symmetric and radially-polarized beams // J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) pp. 827-832.
33. Lia Y., Latham W.P., Kar A., Lumped parameter model for multimode laser Cutting // Optics and Lasers in Engineering 35 (2001) 371-386.
34. Kar A., Scott J.E., Latham W.P. Effects of mode structure on three dimensional laser heating due to single or multiple rectangular laser beams. // Journal of Applied physics V 80 N 2 July 1996 pp. 667-674.
35. Kaplan A. A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile // J.Phys. D. Appl. Phys. 1994. Vol.27. 1994, P. 1805-1814.
36. Minamida K., Takaafuji H., Hamada N. et al. Wedge shape welding with multiple reflecting effect of high power CO laser beam// Proc. Of the Intern. Congress on applications of lasers and electro-Optics, 1986, pp.. 97-104.
37. Milewski J., Sklar E. Modeling and validation of multiple reflections for enhanced laser welding// Modeling Simul. Mater. Sci. Engng. 1996., Vol. 4. p..305-322.
38. Кривцун И.В., Талерко A.H. Влияние поляризации излучения на поглощение лазерного пучка при сварке с глубоким проплавлением.//Автоматическая сварка, 2004, т. 6, с. 29-34
39. Minna Valkamma, Steen Erik Nielsen Dual-focus laser cutting of mild steel, norlas transactions. //Welding in the World, March-April 2002, vol 46, № 3/4, pp.33-40
40. Molian P.A. Dual-beam C02 laser cutting of thick metallic materials// Journal of material science (28) 1993 pp. 1738-1748.
41. Duan J., Man H.C., Yue T.M., Modeling the laser fusion cutting process. I. Mathematical modeling of the cut kerf geometry for laser fusion cutting of hick metal// J. Phys. D. Appl. Phys. 2001. V. 34, 2001, pp. 2127-2134.
42. Борн M., Вольф Э. Основы оптики// M.: Наука, 1970.
43. Mahrle A., Beyer Е. Theoretical aspects of fibre laser cutting J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009).
44. Suryanarayana C. (Ed.). Non-equilibrium processing of materials, Pergamon Press,Oxford, 1999.
45. Narendra B. Dahotre Sandip P. Harimkar. Laser Fabrication and Machining of Materials 2008 Springer Science + Business Media.
46. Fischer P., Romano V., Weber H. P., Karapatis N. P., Boillat E., Glardon R. Sintering of commercially pure titanium powder with a Nd:YAG laser source. Acta Materialia. 51:1651-1662, 2003.
47. Смирнов B.H., Скрипченко А.И., Штернин JI.A. Новая «лазерная» революция. - Мир металлов, №6, 2005, с.48-49.
48. Shiner В. High-power fiber lasers impact material processing -Industrial Laser Solutions February, 2003 -
49. Grupp M., Seefeld Т., Vollertsen F. Industrializing fiber lasers -Industrial Laser Solutions March, 2004
50. LIA Handbook of Laser Materials Processing/ J.F. Ready, D.F. Farson, Ed. Laser Institute of America, 2001, 715 p.
51. Панченко В.Я., Голубев B.C., Васильцов B.B. и др. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлиз, 2009. 664с.
52. Powell J., Kaplan A. A Technical and Commercial Comparison of Fiber Laser and C02 Laser Cutting// Laser Institute of America. September 22, 2013: http://www.lia.org/blog/2013/09/a-technical-and-commercial-comparison-of-fiber-laser-and-co2-laser-cutting.
53. Fiber Laser vs C02 Laser Comparison of Processing property (Mitsubishi Change for the Better), Issued on Oct.19, 2012: http:// www.ailu.org.uk/ assets/ document/adverts/ Mitsubishil.pdf.
54. Белова C.A., Калашникова M.C., Постников B.C. Формирование структуры поверхностных слоев сталей при лазерном легировании // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2010, т: 12, №2, с. 93105
55. Marangoni C.G.M. // Ann. Phys. (Poggendorf). 1871, B.143, S.337.
56. Benard H.//Ann. Chem. Phys., 1901, v.23, N 7, p.62.
57. Benard H.//J. de Phys., 1900, v.9, p.513.
58. Benard H.Les tourbillons cellulaires dans une nappe liquid // Revue generale des Sciences, pures et appliquiees. 1900, v. 11, N23,p. 1261-1271; N24,p. 1309-1328.
59. Raylegh, Lord. On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side // Phil. Mag., 1916, v.32, ser.6, p.529-534.
60. Rayleigh, Lord.-Scientific Papers, 1916, v.6, p.432. Cambridge University Press.
61. Block M.J. Surface Tension as the Cause of Benard Cells and Surface Deformation in a Liquid Film // Nature. 1956, v. 178, sept., p.650-651.
62. Pearson J.R.A. On Convection Cells Induced by Surface Tension // Journal of Fluid Mechanics. 1958. Vol.4.Part5.P.489-500.
63. Heintz E. Deux procede nouveaux de photographie infrarouge // J. Phys. et Radium. 1946, v.7, p. 10; v.l0,p.336.
64. Леконт Ж. Инфракрасное излучение. M.: Гос. изд. ф-м. лит., 1958.
65. Ллойд Дж . Системы тепловидения. М.: Мир. 1978.
66. Гладуш Г.Г., Дробязко C.B., Лиханский В.В., Термокапиллярная конвекция при лазерном нагреве поверхности, Квантовая Электроника, 25, №5 (1998), стр 439
67. Антонова Г.Ф., Гладуш Г.Г. и др, Развитие многовихревого течения расплава нержавеющей стали при лазерном воздействии на поверхность, Квантовая электроника, 25, №5 (1998), стр.443
68. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М.. Моделирование формы поверхности металла под действием многомодового лазерного излучения// Тезисы докладов III Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», 2009. - Новосибирск, ИТПМ СО РАН. - С. 59-60.
69. Смирнова Е.М., Попов В.Н., Численное исследование распределения вытесняемой примеси при получении мультикремния методом Бриджмена// VII Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 2009. — Новосибирск, ИТПМ СО РАН. - С.205-206
70. Смирнова Е.М., Попов В.Н. Оптимизация процессов тепло- и массопереноса в установке получения поликремния методом Бриджмена.// Вестник НГУ, 2010. Т. 5, выпуск 2. С. 75-84.
71. Heiple C.R., Roper J.R., Stagner R.T., Aden R.J., Welding J., 62, №3, 72 (1983)
72. Ehlen G., Ludwig A., Sahm P.R. Simulation of Time-Dependent Pool Shape during Laser Spot Welding: Transient Effects // Metallurgical and Materials Transactions A. 2003. V. 34A. P. 2947-2961
73. Sahoo P., Debroy Т., McNallan M.J. Surface tension of binary metal -suface active solute systems under conditions relevant to welding metallurgy // Metallurgical Transactions B, 1988, V. 19B, p.483-491
74. Pierce S.W., Burgnardt P., Olson D.L. Thermocapillary and Arc Phenomena in Stainless Steel Welding // Welding Journal, 1999, V. 78, No 2, pp. 45-52.
75. S. Kou, Limmaneevichitr C., Wei P. S. Oscillatory Marangoni Flow: A Fundamental Study by Conduction-Mode Laser Spot Welding // Welding Journal, 2011, V. 90, No 2, pp. 229-241.
76. Fuhrich Т., Berger P., Hiigel H.. Marangoni effect in laser deep penetration welding of steel П Journal of Laser Applications, 2001, Vol. 13, Issue 5, p. 178-181.
77. Майоров B.C. Появление капиллярной термоконцентрационной неустойчивости при взаимодействии лазерного излучения с веществом. 236248. Современные лазерно-информационные и лазерные технологии: Сборник трудов ИПЛИТ РАН, 2005
78. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959 г., 699 с.
79. Chia-Shun Yih. Fluid Motion Induced by Surface-Tension Variation // The Physics of Fluids. 1968, v. ll,N3,p.477-480.
80. Адамсон A . Физическая химия поверхностей. M.: Мир, 1979 г.,
568 с.
81. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решений сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. 592 с.
82. Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface // Phys. of Fluids. 1965. Vol.8, № 12. -P.2182-2189.
83. Patankar S.V., Spalding D.B. A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer in Three-Dimensional Parabolic Flows // Int. J. Heat Mass Trans. 1972. Vol. 15. P. 1787-1806.
84. Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comput. Phys. 1967. Vol. 2. P. 12-26.
85. Kokh K.A., Popov V.N., Kokh A.E., Krasin B.A., Nepomnyaschikh A.I. Numerical modeling of melt flows in vertical Bridgman configuration affected by a rotating heat field // Journal of Crystal Growth. - 2007. - V. 303, Issue 1. - P. 253-257.
86. Зуев А.Л., Костарев К.Г. Особенности концентрационно-капиллярной конвекции. // УФН. - 2008. - Т. 178, № 10. - С. 1065-1085.
87. Кох А.Е., Кононова Н.Г., Беккер Т.Б., Влезко В.А., Мокрушников П.В., Попов В.Н. Изменение симметрии и вращение теплового поля как новый метод управления процессами тепломассопереноса при выращивании кристаллов (на примере Р-ВаВ204). // Кристаллография. - 2005. - Т. 50, № 1. -с. 184-191.
88. Kokh А.Е., Popov V.N., Bekker Т.В., Kononova N.G., Kokh K.A., Mokrushnikov P.V. Melt-solution BBO crystal growth under change of the heat field symmetry and its rotation. // J. Crystal Growth, Vol. 275, No. 1-2, 2005, pp. E623-E628.
89. Попов B.H., Цивинская Ю.С., Кох A.E. Исследование технологии выращивания кристалла в неоднородно разогретом тигле // Математическое моделирование, 2005, т. 17 №5, стр., 77-84
90. Комшуков В.П., Фойгт Д.Б., Ефимов О.Ю., Черепанов А.Н., Селезнев Ю.А., Утробин М.В., Буймов В.А., Попов В.Н. Способ модифицирования непрерывнолитой заготовки. Патент РФ на изобретение №2394664, 2010 г. Заявка № 2009119158. Приоритет изобретения 20 мая 2009 г.
91. Черепанов А.Н., Попов В.Н., Солоненко О.П. Численный анализ
динамики растекания и кристаллизации модифицированной металлической
132
капли на подложке // Теплофизика и аэромеханика. - 2008. - Т. 15, № 3. - С. 513-519.
92. Сабуров В.П., Еремин E.H., Черепанов А.Н., Миннеханов Г.Н. Модифицирование сталей и сплавов дисперсными инокуляторами. Омск: изд-во ОмГТУ. 2002, 212 с.
93. Дроздов В.О., Черепанов А.Н., Попов В.Н. Термо- и гидродинамические процессы в жидкометаллической ванне, содержащей наночастицы, при импульсной лазерной обработке поверхности // Сб. тр. XXIII семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 120-122.
94. Задиранов А.Н., Кац А. М. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов : учеб. пособие. М.: МГИУ, 2008. 194 с.
95. Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Е. Инокулированиежелезо-углеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1993. 416 с.
96. Ребиндер П. А., Липман М. С. Физико-химические основы модификации металлов и сплавов малыми поверхностно активными примесями // Исследования в области прикладной физико-химии поверхностных явлений. М.; Л., 1936.-С. 36-52.
97. Kovalev О.В., Popov A.N., Smirnova E.M., Smurov I. Numerical Study of Concentration and Thermocapillary Melt Convection under Pulsed Laser Alloying // Physics Procedea, 2011, Vol. 12, Part A, P. 478-489
98. Попов B.H., Ковалев О.Б., Смирнова E.M. Численный анализ термокапиллярной конвекции при модификации поверхности импульсным лазерным излучением // Теплофизика и аэромеханика. - 2012. - Т. 19, № 1. С. 57-65.
99. Попов В.Н., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М., Цивинская Ю.С. Численная оценка влияния поверхностно-активного вещества на массоперенос при плавлении поверхности металла лазерным импульсом // Вестник НГУ. Физика. 2012. Т. 7, выпуск 3. С. 114-121.
100. Heiple С. R. and Roper J. R. 1982 Weld. J. 61 97-101
101. Lu S. P., Tanaka M. and Nogi K. 2002 Mater. Trans. 43 2926-31
102. Aidun D.K. and Martin S.J. 1997 Mater. Eng. Perform. 6 496-502
103. Zacharia T and David S 1989 Weld. J. 12 499-509s, [14] Zacharia T and David S 1989 Weld. J. 12 510-519s
104. Kou S. and Sun D.K. 1985 Metall. Mater. Trans. A 16 203-13
105. Xe H., Fuerschbach P.W. and DebRoy T. 2003 J. Phys. D: Appl. Phys. 36 1388-98
106. Robert A and T DebRoy 2001 Metall. Mater. Trans. В 32 941-7
107. Yuzhen Zhao et al. The study of surface active element on weld pool development in A-TIG welding. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng 2006. 14. P.331
108. Гладуш Г.Г., Лиханский B.B., Лобойко А.И. Влияние поверхностно-активных веществ на тепло- и массоперенос при плавлении поверхности вещества лазерным импульсом// Квант, электроника, 1997, 24 (3), 274-278.
109. Pierce S.W., Burgardt P., Olson D.L. Thermocapillary and Arc Phenomena in Stainless Steel Welding // Welding Journal. 1999.- Vol.79(2).-P.46-52.
110. Ribic В., Tsukamoto S., Rai R., DebRoy T. Role of surface-active elements during keyhole-mode laser welding В Ribic et al 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 485203
111. Kawai Ya. Diffusion of Slufur in Liquid Iron. I : Diffusion in Pure Iron // Science reports of the Research Institutes, Tohoku University. Ser. A, Physics, chemistry and metallurgy. 1957. Vol. 9. P. 78-83.
112. Будак Б.М., Соловьева E.H., Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1965. Т. 5, № 5. С. 828-840.
113. Попов В.Н., Цивинский М.Ю., Цивинская Ю.С. Численная оценка влияния поверхностно-активного вещества в расплаве на конвективный массоперенос при воздействии на металл лазерным импульсом // Математическое моделирование. 2012. Т. 24, №. 3. С. 87-96.
114. Peyret R., Taylor T.D. Computational methods for fluid flow. -Berlin; Heidelberg; N/Y/: Springer-Verlag, 1983. Рус. Пер. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.
115. Ghia V., Ghia K.N., Shin C.T. High-Re solutions for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method// J.Comput.Phys. -1982.-V.48, N3.
116. Gray D.G. (ed.). American institute of physics handbook. McGraw-Hill Book Company,3rd ed., 1972.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.