8 800 301-35-45
8 495 781-35-45
info@s-laser.ru
цены
 
   
       
ГлавнаяСтатьи Добавить сайт в избранное
 
 
  • Услуги
  • Продукция

Статьи, посвященные лазерной резке

 
С Днем России!  
09.06.2017
Пусть этот светлый, радостный день запомнится каждому яркими событиями, праздничными салютами и, конечно же, чувством патриотизма!
подробнее...
Поздравляем с 9 мая!
 04.05.2017
В преддверии этого великого праздника, прежде всего, хочется сказать спасибо нашим дорогим ветеранам за Победу!
подробнее...
Карта сайта

Конвективное перемешивание расплава металла в ходе лазерной резки

Определим скорость конвективного перемешивания в жидкой фазе при скоростной лазерной обработке. Для этого необходимо оценить величину градиента поверхностного натяжения расплава по глубине, возникающего вследствие температурного градиента и температурной зависимости поверхностного натяжения в ходе процесса лазерной резки. Для жидкого железа da/dT составляет 0,5 дин/(см * град); градиент температур по глубине можно определить, пользуясь оценочной формулой qfk, где q — плотность мощности потока излучения, А, — коэффициент теплопроводности металла.

В результате температурный градиент при лазер­ном облучении железа составляет ~ 104 °С/см, по­этому da/dx ~ 5 * 103 дин/см2. По данным металлографического анализа, L ~ 10 ~3 см, поэтому с учетом оценки для da/dx получаем, что со "Ю3" см/с. Можно сделать вывод о том, что, несмотря на грубую оценку, конвективное перемешивание расплава может оказывать влияние на размерные характеристики дендритов в оплавленной зоне пятна и быть одной из причин аномально высокого массопереноса в зоне лазерного раскроя металла. Для понимания механизма протекания процессов кристаллизации в зоне плавления важны показатели морфологии дендритного кристалла (степень развития ветвей первого, второго и других порядков, расстояния между ветвями, толщина ветвей). При большой скорости охлаждения размер зерен (d3) склонен к уменьшению, что обусловлено зависимостью скорости роста кристаллов и числа образовавшихся зародышей от степени переохлаждения AT, и связан с параметрами кристаллизации. Однако различный характер зависимости параметров кристаллизации от переохлаждения указывает на определенную трудность установления надежных закономерностей между размером зерна и скоростью охлаждения.

Малая длительность импульса наряду с высокой плотностью мощности излучения приводит к высокоскоростным процессам затвердевания расплавленной ванны, причем в центре пятна и у поверхности расплава переохлаждение наименьшее, поэтому здесь чаще всего наблюдается ячеисто-мозаичное строение. Там же, где достигается наибольшее переохлаждение, а именно, на границе расплавленной ванны с подложкой, параметры будут иметь наибольшие значения, в связи с чем наблюдается своеобразная "береговая линия" из одинаково ориентированных в сторону теплоотвода неразветвленных дендритов. В темном поле хорошо просматривается различие форм дендритных крис­таллов, строение которых напрямую связано с тепловыми режимами охлаждения. Наблюдаемые особенности структурообразования при высоких скоростях охлаждения могут быть выяснены на основе анализа кинетики кристаллизации. Известно, что скорость охлаждения при лазерной закалке составляет от 103 до 106 К/с. Для достоверного определения скорости движения границы раздела жидкой и твердой фаз v-n и выявления последующего влияния на структурообразование проведем ее сопоставление с типом и характерным размером структуры, полученной при лазер­ной обработке, и сравним полученные зависимости с теоретическими значениями.

Рассмотрим вариант строения оплавленной зоны упрочненного пятна, когда в поперечном сечении столбчатые кристаллы выглядят как равноосные зерна, состоящие из отдельных блоков, ориентированных определенным образом в пределах каждого зер­на, т.е. центральная часть пятна имеет мозаичную структуру. На основании установленной корреляционной связи между скоростью охлаждения (v) и расстояни­ ем между осями дендритов 1-го порядка (d) для ряда сплавов в указанном интервале скоростей охлаждения определим локальную скорость кристаллизации v-n из установленной экспериментально зависимости: d = A где А, n — константы материала. Измерив величину d по микрофотографиям участков зоны плавления с мозаичным дендритным строением (эти участки выявляются тепловым травлением) и используя вышеизложенное выражение, получаем, что скорость охлаждения после лазерного воздействия в центральной зоне пятна для различных материалов составляет 105 — 106 К/с. При таких скоростях охлаждения должны расти столбчатые кристаллы, совершенно лишенные боковых ответвлений, или поверхностные дендриты в виде сферолитов. Результаты металлографических исследований подтверждают этот вывод. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения выше 10б К/с происходит полное вырождение дендритного роста и стабилизация плоского фронта кристаллизации. Столь высокая скорость охлаждения, а также различная теплопроводность изучаемых сплавов может являться причиной рассмотренного выше разнообразия дендритных форм в оплавленном слое, причем, выявляемые металлографическим методом типы структур образованы в результате конкурентного роста ансамблей дендритов в направлении, регулируемом процессами тепломассопереноса.

Следует отметить, что граница раздела жидкой и твердой фаз после окончания действия лазерного импульса перемещается в сторону твердой фазы, забирая из нее те примеси, для которых растворимость в жидкой фазе оказывается выше. Скорость растворения определяется температурой на границе жидкой и твердой фаз, временем их соприкосновения, поверхностным натяжением на границе раздела этих фаз и зависит от концентрации примесей и энергии межатомной связи рассматриваемой примеси и растворителя. Из-за того, что растворимость многих элементов в жидкой фазе выше, чем в твердой, на границе жидкой и твердой фаз образуется слой с повышенным содержанием примеси и повышенной микрохимической неоднородностью, выявляемый металлографическим методом, так как травимость при этом повышается. Результаты исследований показали, что микротвердость в зоне лазерной закалки из жидкого состояния достаточна высока как на углеродистых, так и на легированных сталях и составляет 800 - 900 HV. Можно ожидать, что формирование в зоне плавления мозаичной структуры с большой протяженностью суммарной поверхности субграниц, большинство из которых являются "полупроницаемыми" барьерами, будет способствовать релаксации напряжений и уменьшению опасности трещинообразования.

ВЫВОДЫ

1. В лазерно-оплавленных зонах поверхности металлических материалов вследствие температурных и концентрационных градиентов возникает высокая степень неравновесности жидкой фазы, обеспечивающая диспергирование растущих кристаллитов. Это должно положительно сказаться на механических свойствах поверхностных слоев с подобной структурой.

2. При лазерной обработке в ходе производства металлических корпусов, противопожарных металлических дверей, с плавлением поверхности после быстрого поглощения энергии лазерного импульса следует расширение нагретой области, окруженной большой массой холодного исходного металла, т.е. возникает неравномерное термическое расширение при большом градиенте температур. Этот процесс в совокупности с локальными изменениями объема при возможных полиморфных превращениях в облученном металле способствует формированию мозаичной структуры, суограницы которой, являясь "полупроницаемыми" барьерами, приводят к релаксации напряжений и уменьшают опасность трещинообразования.