Численное моделирование взаимодействия излучения с металлами при лазерной резке и легировании тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Смирнова Елена Михайловна

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С МЕТАЛЛАМИ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ И ЛЕГИРОВАНИИ

Специальность 01.02,05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

СЕН 2014

Новосибирск - 2014

005552761

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН). Научные руководители:

Ковалев Олег Борисович - д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией Физики плазменнодуговых и лазерных процессов ИТПМ СО РАН; Попов Владимир Николаевич - д.ф.-м.н., главный научный сотрудник лаборатории Термомеханики и прочности новых материалов ИТПМ СО РАН. Официальные оппоненты:

Судник Владислав Александрович - д.т.н., профессор, Тульский государственный университет, директор научно-образовательного центра "Компьютерные высокие технологии в соединении материалов";

Воеводин Анатолий Фёдорович - д.ф.-м.н., профессор, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, главный научный сотрудник. Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, г. Москва

Защита состоится 24 октября 2014 года в 9 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д003.035.02 при Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук, по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д003.035.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН и на сайте совета.

Автореферат разослан 20 августа 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 H.H. Рыкалина, A.A. 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, A.M. 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 СОг-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 СОг-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 B.C. 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

1. Провести численное исследование характеристик лазерного излучения (мода, поляризация, длина волны) и определить эффективные режимы его использования при разрушении поверхности обрабатываемого материала.

2. Разработать методику расчета конвективного тепло- и массопереноса в жидком металле, вызванного локальным воздействием на него лазерного излучения.

3. 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

1. Численно определены профили поверхности разрушения листовой нержавеющей стали, которые характеризуют эффективность использования СОг- (1=10,6 мкм) и волоконного (Х=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.

2. 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.

3. 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

1. Теоретически подтверждены ранее предсказанные другими авторами преимущества использования СОг-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.

2. 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.

3. 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 СОг- и волоконного лазеров, и объяснение причин более эффективного использования излучения с длиной волны Х.=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.

ХЫП 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность работы, обосновывается ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследований, изложено краткое содержание диссертации и основные научные результаты.

В первой главе представлен сравнительный анализ влияния различных характеристик лазерного излучения на форму и глубину образующейся поверхности металла.

Предложена физико-математическая модель для описания формы поверхности разрушения материала под действием лазерного излучения. С помощью данной модели получены трехмерные профили поверхности разрушаемого металла. Исследования проводились для пяти мод излучения СОг-лазера (ТЕМоо, ТЕМ01, ТЕМю, ТЕМп и ТЕМ*оО с пятью поляризациями пучка (параллельной, перпендикулярной, круговой, радиальной и азимутальной). Проведено сопоставление указанных характеристик излучения по эффективности разрушения материала.

Показано, что используемые моды ТЕМоо и ТЕМ01 сопоставимы по глубине и ширине поверхности разрушения материала. Радиальная поляризация излучения для мод ТЕМоо и ТЕМ01 действительно имеет 30-процентное преимущество по глубине разрушения по сравнению с другими поляризациями. В силу того, что максимумы интенсивности мод ТЕМю и ТЕМп расположены поперек направления движения луча, форма каверны получается широкой и неглубокой. На основе проведенных расчетов сделан вывод о том, что наиболее эффективной для лазерного разрушения нержавеющей стали является осесимметричная ТЕМ*о1-мода с радиальной поляризацией.

В настоящее время широкое применение для лазерной резки металлов находят волоконные лазеры, которые характеризуются высокой мощностью излучения, что позволяет до 3 раз увеличить скорость резки тонких листов металла

по сравнению с СОг-лазерами той же мощности. Однако с увеличением толщины материала такого превосходства не наблюдается, СОг-лазер по-прежнему остается более эффективным при резке как углеродистых сталей, разрезаемых в струе кислорода, так и нержавеющей стали, а также других металлов, разрезаемых в атмосфере инертных газов. Сравнение результатов экспериментальных исследований образцов после лазерной резки обоих типов лазеров не дают полного объяснения причин различия в качестве.

Для выяснения причин указанных различий проведено теоретическое исследование влияния длины волны излучения (10,6 мкм для СОг-лазера и 1,06 мкм для волоконного лазера) на профиль поверхности и максимальную глубину разрушения материала применительно к резке нержавеющей стали с инертным газом.

Численное моделирование процесса лазерного разрушения материала проводилось в упрощенной постановке, в предположении, что поглощенная лазерная энергия вся расходуется на плавление металла, а расплавленный металл мгновенно полностью удаляется (рис. 1).

Лазерный луч

Фронт реза

Рис. 1. Схема взаимодействия луча с поверхностью в процессе разрушения материала.

На практике такие условия можно получить при высокой скорости лазерной резки и идеальной работе газовой струи по удалению расплава. В таком случае математическая модель лазерного разрушения сводится к решению уравнения кинематической совместности точек разрушаемой поверхности, которое, при наличии соответствующих начальных и граничных условий, определяет постановку задачи о разрушении материала лазерным излучением [Ковалев О.Б., Зайцев A.B., ПМТФ, 2004, № 6, с. 169-178].

dz™ dz^ dt с дх Zm(x,y, 0) = 0

= -к,

■ b <у <b а < х < а

(1) (2)

Здесь t - время; х, у, г ~ пространственные координаты; гт(х, у, г) - форма поверхности; Ус - скорость движения луча; Уп - скорость перемещения поверхности по нормали; а, Ь- размеры пластины, <2 (х, у, £) - интенсивность поглощаемого излучения, N - вектор нормали к поверхности разрушения материала. На рис. 1 схематично изображена поверхность и направление скоростей, участвующих в уравнении.

Задача (1)-(3) решалась в безразмерном виде с параметрами V — с1£/м/0, х' — х/и/0, у' — у/и/0, х' — х/и/0, /?т — где и/0 - радиус лазерного пучка

в фокальной плоскости, откуда дрт/дь' — дрт/дх' = —аА(у)1(х',у',рт), где а = + р$с^Тт - Г0))].

Безразмерный параметр <т характеризует отношение удвоенной мощности излучения к энергии, которую необходимо затратить на нагрев металла до температуры плавления, а затем его еще и расплавить.

Основная часть излучения, взаимодействуя с металлом, падает на поверхность под большими углами. Главной особенностью при этом является сильная зависимость коэффициента поглощения от угла падения. Для сравнения на рис. 2 приведены зависимости коэффициентов поглощения от угла падения излучения волоконного и СОг-лазеров. Из представленных данных следует, что при углах падения менее 85,9 градусов излучение волоконного лазера с длиной волны 1,06 мкм поглощается лучше, в то время как на углах от 85,9° и до почти 90° преобладает поглощение излучения СОг-лазера с А.=10,6 мкм. В результате можно заметить, что излучение волоконного лазера хорошо поглощается при малых углах падения на поверхностях имеющих пологие склоны, а излучения СОг-лазера поглощается преимущественно на более крутых участках поверхности, близких к вертикали.

I

°0 20 40 60 80 05 9

V*

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения А от угла падения у для волоконного (X. = 1,06 мкм) и СОг- (к = 10,6 мкм) лазеров.

На рис. 3. представлены проекции трехмерной поверхности г = гт(х, у, Е) на плоскость У7 для круговой поляризации. Минимум функции г = гт(х,у, £) соответствует максимально возможной глубине разрушения материала. Таким

образом, если радиус пучка и/0 ~ 100 мкм, максимальная толщина разрушения материала будет почти 3,5 мм для волоконного лазера и 2,1 мм для ССЬ-лазера.

м ЯГ и

Я и

у 1

1 ш

1

■

V

а

о

-5

-ю

N

-15 - -20

-25 -ЗО

-35

ы

Рис. 3. У2-проекции поверхности разрушения материала при а = 30. а — волоконный лазер; б — ССЬ-лазер.

Рисунок 4 иллюстрирует изменение максимальной глубины поверхности разрушения Ятах, отнесенной к радиусу пучка и'о в зависимости от безразмерного энергетического параметра а для обоих типов лазеров. Из полученных результатов следует, что при а > 65 максимальная глубина разрушения материала для ССЬ-лазера больше, а значит, и эффективность его применения выше.

Рис. 4. Безразмерная максимальная толщина Нтах разрушаемого материала для СОг- и волоконного лазеров в зависимости от параметра а.

-СОг-лазер Волоконный лазер

Результаты проведенных расчетов максимальной глубины разрушаемого материала, приведенные на рис. 4, имеют определенные диапазоны максимальных толщин материала, которые на качественном уровне характеризуют эффективность использования того или другого типа лазера в зависимости от параметра а. Оказалось, что эти диапазоны толщин хорошо коррелируют с данными экспериментов по шероховатости кромки реза.

Теоретические оценки поглощения излучения на фронте поверхности разрушения материала показали, что более короткая длина волны волоконного лазера прежде всего выгодна для резки тонких листов стали, тогда как СОг-лазер больше подходит для резки толстых материалов. Этот результат объясняется количественным различием в коэффициентах поглощения для соответствующих длин волн обоих лазеров как функций от угла падения излучения (см. рис. 2). Это

различие особенно существенно в нижней части реза, где угол падения излучения изменяется в диапазоне 85°-87°.

Таким образом, одной из главных причин, определяющих резкое повышение шероховатости реза при использовании волоконного лазера для резки толстых материалов, является недостаточное поглощение энергии лазерного излучения в нижней части реза.

Во второй главе рассматриваются процессы конвективного тепло- и мас-сопереноса в поверхностном слое металла под воздействием импульсного лазерного излучения, и приводятся результаты численного исследования влияния поверхностно-активных веществ на характер образующихся течений в ванне расплава. Целью исследования является построение модели, описывающей процессы тепло- и массопереноса, протекающие под воздействием энергии лазерного импульса, в поверхностном слое металлической подложки, при наличии в ее составе поверхностно-активных веществ, и исследование их влияния на динамику развития вихревых течений в ванне расплава. В этом случае коэффициент поверхностного натяжения может зависеть как от температуры жидкого вещества на поверхности, так и от концентрации поверхностно-активных элементов. Основное уравнение, описывающее зависимость поверхностного натяжения от температуры и концентрации легирующей примеси, выражается в виде [Sahoo P., DebRoy T., McNallan M. //J. Metallurgical Transactions В. 1988. V.19, No. 3. P. 483-491],

a = a0- ka(T - rs) - TRTS ln{l + 5(ехр[-ЛЯ°/(ДГ)]С5}, (4)

где сг0 - поверхностное натяжение в чистом металле в точке плавления (Дж/м2), ка = —да0/дТ - для чистого металла (Дж/(м2-К)), Cs - концентрация примеси на поверхности расплава (% от массы), 5( - константа, соответствующая энтропии сегрегации, АН0 - стандартное изменение энтальпии при реакции (Дж/моль), rs - избыток примеси в поверхностном слое на единицу поверхности (моль/м2)

Для моделирования тепло- и массопереноса в жидком металле с конвекцией примеси используется система уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска для вязкой несжимаемой жидкости, уравнения конвективного тепло-

переноса и диффузии примеси:

—V p + vfAV + gkT(.T-T0), (5) at pf

divV = 0, (6)

CfPf ^f + cfPfdiv(VTf) - div(A/Vr/) = 0, (7) dC , s ,

— + div(VC) - div(D/VC) = 0, (8)

где V, д - векторы скорости и ускорения свободного падения, соответственно, р, Т - давление и температура жидкости, связанные с конвекцией расплава, С- массовая концентрация примеси, су, р^, А^— удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность, — коэффициент кинематической вязкости, кт - объемный коэффициент температурного расширения, Df — коэффициент диффузии примеси в расплаве, Т0 — начальная температура.

Рассматривается физическая задача о взаимодействии лазерного пучка радиусом г0 с поверхностью металлической подложки, начальная температура которой ниже температуры кристаллизации (рис. 5).

)\2

1111 1 1 1 1 1111 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1±П±1. .

О/ г° -* гг г

5 --- 2

Рис. 5. Схема воздействия лазерного импульса на подложку.

1 — луч лазера, 2 - металлическая подложка с содержанием ПАВ, 3 - легирующийматериал на её поверхности, 4 - расплав, 5 - граница проплавленной зоны; г0- радиус лазерного луча, гд игд - глубина и радиус рассматриваемой области в подложке.

Импульс имеет продолжительность а плотность его интенсивности описывается распределением Гаусса. Поверхность подложки покрыта слоем легирующего материала. Под воздействием лазерной энергии происходит разогрев металла и его плавление. В образовавшейся и увеличивающейся со временем жидкой лунке развивается капиллярная и термогравитационная конвекция. Материал подложки содержит в качестве примеси ПАВ. Легирующий материал, взаимодействуя с расплавом, с его поверхности за счет формирующихся течений проникает в глубину проплавленной лунки. Для расплава используются условия прилипания на твердом фронте кристаллизации. Предполагается, что при исследуемых режимах нагрева небольшие величины конвективных скоростей обуславливают плоскую форму свободной поверхности жидкости. После завершения импульса за счет теплообмена с окружающей средой и отвода тепла в материал твердой подложки расплав остывает и затвердевает.

Уравнения (5)-(8) обезразмеривались и рассматривались в двумерной (осе-симметричной) постановке с вариацией граничных условий в зависимости от исследуемых физических моделей, будь то лазерный нагрев поверхности металла, плавление и появление подвижной границы фазового перехода, а также возникновение конвекции за счет эффекта Марангони и перенос и диффузия примеси. Постановка граничных условий для различных моделей подробно приведена в диссертации. Уравнения (5)-(8) решались численно без явного выделения границы фазового перехода. Алгоритм численной реализации моделей также подробно изложен в диссертации.

Проведено исследование цикла нагревания металла в течение лазерного импульса, а также цикла полного остывания и затвердевания. На рис. 6 представлена фрагментация микрофильма о развитии поля концентрации графита С в ванне расплава титана под действием импульсного лазерного излучения. На

фоне концентрации приведены линии тока, демонстрирующие направление течения жидкости внутри жидкой лунки.

0.2 0.4

X, тт

5,9 мс

12 мс

Рис. 6. Фрагментация микрофильма о развитии течения в ванне расплава под действием импульсного лазерного излучения, линии тока на фоне поля концентрации С.

Фрагментация микрофильма демонстрирует 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. В момент времени 12 мс наблюдается начало процесса затвердевания образовавшегося расплава вместе с распределенной в нём легирующей примесью.

Проведено сопоставление расчетов с результатами экспериментальных исследований при импульсном лазерном взаимодействии с титановой подложкой, на которую предварительно наносился тонкий слой порошка из графита. Шлиф образца, приведенного на рис. 7, заимствован из работы Зшигоу I., СоуеШ Ь., Та-§!го\' К., Акзепоу Ь. // .1. Арр1. РИуБ. 1992. V. 71, N0. 7. На рис. 8 представлен вариант решения задачи для сопоставления полученных численных расчетов с экспериментальными данными.

Рис. 7. Шлиф образца титана с графитом.

иоа о ох нот ОС«

оое

0 014 0« оси* ом 0 0» 00) ооя о о: 00« 0 0' 0 000

Рис. 8. Структура распределение примеси графита в расплаве титана. ---- схема границы фазового перехода.

При качественном сопоставлении экспериментальных и расчетных данных видно сходство в характере течения жидкости в жидкой лунке и распределения легирующих компонентов внутри ванны расплава, на основании которого можно сделать вывод о справедливости выдвинутых приближений для решения вышеизложенной задачи.

В третьей главе с использованием численного моделирования исследуется распределение легирующего материала, проникающего в металлическую подложку с ее поверхности при импульсном лазерном воздействии при наличии в расплаве поверхностно-активного вещества, а также рассматривается возможность ввода ПАВ в расплавленный металл совместно с легирующей добавкой.

Рассматривается нестационарный процесс, который охватывает разогрев металла, его плавление, тепло- и массоперенос в расплаве и последующее затвердевание после окончания импульса. В качестве объекта исследований используется сплав железа с углеродом, в качестве ПАВ - сера. Анализируется глубина проникновения, характер распределения вводимого с поверхности легирующего вещества при различных концентрациях ПАВ в расплаве - 0,0-0,04 % от массы металла.

В ходе численных экспериментов определено, что при малых концентрациях ПАВ в составе железа (С5<0,02%), легирующие компоненты накапливаются на периферии ванны расплава. При содержании поверхностно-активных веществ в металле (0,02%<С8<0,03%), структура течения становится многовихревой и легирующие компоненты распределяются однородно. С увеличением концентрации серы (С3>0,03%) - вводимые добавки переносятся преимущественно в центр ванны расплава.

0,00 -0,02 1ч1-0,04 -0,06 -0,08

-о,о!

М-0,04

-0,06

-0,08 0

г '

в г

Рис. 9. Структура поля скоростей (а, в) и распределение примеси в расплаве (б, г) при содержание серы в железе - С5=0,01 % (а, б), Сз=0,03 % (в, г).

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что при одинаковых плотности мощности потока и продолжительности импульса изменение концентраций ПАВ в расплаве способствует формированию различных структур течений и, соответственно, различным распределениям легирующего вещества. Из этого следует, что для каждого количества поверхностно-активного вещества в металле для получения гомогенного распределения вводимых добавок необходимо подбирать оптимальные режимы обработки поверхности, используя плотность мощности потока и продолжительность импульса как управляющие параметры.

В развитии математической модели, описанной во второй главе, сформулирована задача об управлении процессами конвекции при плавлении поверхности металла под воздействием импульсного лазерного излучения. В начальный момент времени на поверхности металлической подложки присутствует смесь легирующих компонентов и поверхностно-активных веществ. Легирующий материал и ПАВ, взаимодействуя с расплавом, с его

поверхности за счет формирующихся течений проникают проплавленной лунки.

о.оооз^ 0,0002 0,0001 0,0000 -0,0001

глубину

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Рис. 10. Температурный градиент поверхностного натяжения при проникновении ПАВ в расплав в моменты времени 2,6 мс (7) и 3,7 мс (2).

По результатам численных экспериментов определено, что рост концентрации поверхностно-активного вещества приводит к изменению температурного градиента поверхностного натяжения, в результате чего формируется сложная структура течения. Увлекаемая этим потоком, ПАВ переносится вглубь расплава. К моменту прекращения импульса вдоль свободной поверхности жидкости имеет место немонотонность параметра да/дТ (рис. 10), что приводит к возникновению пяти тороидальных вихрей (рис. 11, а). Такая структура течения способствует переносу тепла вглубь расплава к границе фазового перехода, что приводит к изменению ее формы и распространению ПАВ во всем объеме лунки (рис. 11, б). После прекращения импульса за время затвердевания металла распределение примеси существенно не меняется. Определена оптимальная скорость проникновения ПАВ в расплав, при которой было получено наиболее полное перемешивание расплава во всем объеме и наиболее гомогенное распределение модифицирующего материала.

Рис. 11. Поле скоростей (а) и изоконцентраты ПАВ (б) в расплаве.

Из результатов исследований следует, что в растворах с неоднородным распределением концентрации ПАВ вдоль свободной поверхности возникающие течения во многом подобны термокапилярным и обнаруживают схожие законо-

мерности, однако обладают рядом особенностей, связанных со сложным характером процесса формирования градиента поверхностного натяжения, так как поверхностное натяжение понижается в области с повышенным содержанием ПАВ. Как следствие, конвекция обладает ярко выраженными нестационарными свойствами. Неоднородность распределения ПАВ влияет на особенности массо-обмена, способствует гомогенизации жидкости и последующему формированию структуры затвердевшего металла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Проведен численный анализ влияния характеристик лазерного излучения на форму и глубину разрушаемой поверхности металла. Показано, что наиболее эффективной для разрушения СОг-лазером листовой нержавеющей стали является осесимметричная ТЕМ*<н-мода с радиальной поляризацией.

Определены диапазоны толщин предпочтительного применения СОг- и волоконного лазеров, которые коррелируют с известными экспериментальными данными по эффективности лазерной резки нержавеющей стали.

Численно решена задача о возникновении термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции внутри ванны расплава под действием импульсного лазерного излучения. Расчеты конвективного тепло- и массопереноса порошка графита в расплаве титана имеют качественное согласование с экспериментальными данными и указывают на то, что графит при лазерном легировании титана ведет себя как поверхностно-активное вещество.

По результатам численных исследований определено, что ввод поверхностно-активного вещества в композиции с легирующими добавками, способствует гомогенизации расплава и повышению качества легирования поверхностного слоя металла.

Полученное качественное согласие результатов численных расчетов с экспериментальными данными других авторов подтверждает достоверность предложенных математических моделей для решения проблем улучшения характеристик легирования.

Автор благодарен к.ф.-м.н. A.B. Зайцеву и сотрудникам лаборатории №9 ИТПМ СО РАН за ценные замечания и обсуждения работ.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях.

1. Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М. Анализ влияния характеристик излучения газового (СОг) и волоконного лазеров на форму и глубину разрушаемой поверхности металла // Вестник НГУ, сер. Физика. 2014. Т. 9, вып. 1. С. 62-69.

2. В.Н. Попов, О.Б. Ковалев, Е.М. Смирнова, Ю.С. Цивинская. Численная оценка влияния поверхностно-активного вещества на массоперенос при плавлении поверхности металла лазерным импульсом // Вестник НГУ, сер. Физика. 2012. Т. 7, вып. 3. С. 114-121.

3. Попов В.Н., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М. Численный анализ термокапиллярной конвекции при модификации поверхности импульсным лазерным излучением // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19, № 1. С. 57-65.

4. Kovalev О.В., Popov A.N., Smirnova E.M., Smurov I. Numerical study of concentration and thermocapillary melt convection under pulsed laser alloying // Physics Procedía. 2011. V. 12, Part. A. P. 478^189.

5. Смирнова E.M., Попов В.H. Оптимизация процессов тепло- и массопереноса в установке получения поликремния методом Бриджмена // Вестник НГУ, сер. Физика. 2010. Т. 5, вып. 2. С. 75-84.

6. Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М. Сравнительный анализ влияния характеристик излучения волоконного и СОг-лазеров на форму и глубину образующейся поверхности металла при лазерной резке // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Тезисы докладов IV Всероссийской конференции. Новосибирск: Нонпарель, 2011. С.94-97.

7. Kovalev О.В., Popov V.N., Smirnova Е.М. Simulation of the thermocapillary mi-croconvection of the melt at the impulse laser processing of the metal surface // International Conference on Methods of Aerophysical Research. Novosibirsk: Parallel, 2010. P. 127-128.

8. Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Смирнова Е.М. Моделирование формы поверхности металла под действием многомодового лазерного излучения // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Тезисы докладов III Всероссийской конференции. Новосибирск, 2009. С. 59-60.

9. Смирнова Е.М., Попов В.Н. Численное исследование распределения вытесняемой примеси при получении мультикремния методом Бриджмена // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых ученых. Новосибирск: Сиб. кн. изд-во, 2009. С. 205-206.

Ю.Попов В.Н., Короткий А.И., Смирнова Е.М. Компьютерный анализ распределения примеси в слитке поликремния // Актуальные проблемы строительной отрасли: Тезисы докладов II Всероссийской конференции. Новосибирск, 2009. С. 167-168.

11 .Zaitsev А. V., Kovalev О.В., Smirnova Е.М. Simulation of appearance vortical flow under the influence of laser radiation // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Proc. Pt. II. Novosibirsk: Parallel, 2007. P.224-229.

12.Зайцев A.B., Смирнова Е.М. Анализ влияния поляризации и различных мод излучения на форму поверхности при лазерной резке металлов // Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов. Новосибирск, 2006. С. 685-686.

1 З.Зайцев A.B., Смирнова Е.М. Исследование влияния различных мод излучения на форму поверхности при лазерной резке металлов // Международная научная студенческая конференция: Тезисы докладов. Новосибирск, 2005. С. 48.

Ответственный за выпуск Е.М. Смирнова

Подписано в печать 8 августа 2014 г. Формат бумаги 60x84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ № 6

Отпечатано в типографии ООО «Параллель» 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1