Условия оптимизации процесса прошивки наноотверстий импульсным лазерным излучением. Ионин в.В., Давыдов н.Н.

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Владимир, Россия

В статье рассматривается задача построения модели прошивки отверстия и оптимизации этого процесса под заданные условия эксплуатации при воздействии импульсного лазерного излучения.

Введение

К актуальным проблемам технологии обработки материалов относится задача построения модели обработки изделия и оптимизации процесса, структуры и свойств под заданные условия эксплуатации. Наиболее перспективным методом является обработка материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ), под действием которых формируется локально неоднородная структура вещества, отвечающая требуемому комплексу эксплуатационных свойств.

Примером технологий, использующих КПЭ для обработки металлических изделий, является электромеханическая обработка [1], обработка с помощью мощных концентрированных потоков энергии в виде плазменного и ионного воздействия, электронного луча, а в последние годы - лазерным излучением (ЛИ).

Преимущества применения лазеров в технологических операциях обработки материалов определяются возможностью бесконтактного, строго дозированного интенсивного подвода энергии к поверхности изделия [2].

Характер и эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяются плотностью мощности ЛИ в зоне обработки. При Е = 10⁴ - 10⁵ Вт/см² происходит активный локальный разогрев материала до некоторого температурного стационарного состояния, при котором не происходит заметного испарения или разрушения материала. При превышении Е = 10⁵ - 10⁷ Вт/см² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева начинаются активное плавление, испарение и разрушение материала.

В этом режиме основная доля поглощенной энергии расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель. При этом теплота, затрачиваемая на плавление материала, относительно мала, вследствие чего жидкая фаза в зоне воздействия практически отсутствует [3].

Процессы лазерной обработки обладают сложным нелинейным характером воздействия внешних факторов на свойства и геометрию тела, которые в произвольной точке в текущий момент времени зависят от температуры, состояния структуры и деформаций материала, а так же характеристик лазерного луча как инструмента и условия взаимодействия лазерного излучения с материалом. Указанные обстоятельства значительно усложняют разработку математических моделей процессов формирования, как воздействующих физических полей, так и получающейся при этом структуры объекта.

Постановка задачи. Особенности исследования

Экспериментальные исследования показывают [4], что процесс лазерной прошивки отверстий в металлических материалах зависит от нескольких параметров: характеристики ЛИ, характеристики металла, свойства окружающей среды.

В простейшем случае, прошивка происходит в воздушной среде, что, зачастую, приводит к отрицательным последствиям: следы расплава и аблированных частиц, конусность канала, неровности стенок канала, наличие пор из-за пробоя среды [4](рис. 1. a).

Рис.1. Результат воздействия лазерного излучения при прошивке отверстия. a - на воздухе, b - в жидкости

Метод решения поставленной задачи известен, и заключается в решении дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке при линейных граничных условиях [3].

Связь между основными характеристиками источников энергии и различными видами энергозатрат может быть установлена с помощью следующих уравнений баланса

(1)

где Qл — энергия сфокусированного лазерного излучения;Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри кратера и над его поверхностью; Q’ф— энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела;Q”ф — часть энергии Qф факела, поглощаемая стенками канала в результате конвективного и лучистого теплообмена; Qотр — энергия лазерного луча, отраженная от поверхности основного металла и дна кратера; Qразр — полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струей; Q’л — энергия лазерного луча, поглощенная в процессе фотон-электронных соударений на стенках канала; Qв—полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Qт — энергия, отводимая в глубь основного и переплавленного металла вследствие теплопроводности.

Схема обработки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема процесса прошивки при воздействии ЛИ

Для повышения эффективности лазерной прошивки и улучшения характеристик получаемых отверстий на практике в эксперимент включают жидкость [4] (рис. 1. б). Но внесение жидкости в схему эксперимента изменяет не только систему дифференциальных уравнений, но и граничные условия. Наличие жидкости требует внесения в уравнения баланса слагаемых, отвечающих за энергию, поглощаемую жидкостью с поверхности металла за счёт теплопередачи и конвекции жидкости (рис. 3.), а так же учета энергии, поглощаемой напрямую жидкостью.

Рис. 3. Схема эксперимента по воздействию ЛИ на металл в жидкой среде

Кроме того, необходимо учитывать изменение условий распространения излучения в среде, обладающей турбулентностью.

(2)

где - энергия, поглощаемая жидкостью с поверхности материала; коэффициент α определяет теплопроводность от материала в жидкость, а β – конвекцию жидкости; - энергия, поглощаемая жидкостью напрямую.

Решение поставленной задачи в реальном времени обеспечивает возможность контроля процесса прошивки отверстий за счёт учёта возмущающих факторов и подбора, наиболее оптимальных параметров ЛИ и рабочей среды. Этим повышается качество прошивки отверстий, без введения дополнительных операций обработки и достоверность прогноза ожидаемого результата.

Список литературы:

1. Багмутов В.П., Захаров И.Н.. Моделирование тепловых процессов при поверхностной обработке неоднородных металлических тел высокотемпературным движущимся импульсным источником. / Вычислительная механика сплошных сред. – 2011. – Т. 4, № 1. – С. 5-16

2. Мурзин С.П., Осетров Е.Л., Сорокина С.А.. Моделирование тепловых процессов при лазерной обработке материалов с применением фокусаторов излучения. / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - т. 9. - №3. – 2007 - С. 626-629

3. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989. – 304 с.

4. Ионин В.В., Павлов Д. Ю., Давыдов Н.Н. Метод получения массивов наноотверстий с помощью прошивки подложки мощным коротко импульсным излучением. Труды владимирского государственного университета. Выпуск 7. Физико-математические основы индустрии наносистем и материалов. - 2010 г. - С. 18-21

Научное издание

ТРУДЫ ВЛАДИМИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Выпуск 9

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНО СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ

Подписано в печать

Формат 60х84/8. Усл. печ. л. Тираж 150 экз.

Заказ

Издательство

Владимирского Государственного университета.