6 / 15
А.Б. Люхтер, К.В. Скворцов, А.А. Вознесенская, А.С. Ежов, А.А. Бекетов
6
Инженерный журнал: наука и инновации
# 6·2016
возможным. В результате накопления тепловой энергии происходит
оплавление и чрезмерное разбрызгивание жидкой фазы обрабатыва-
емого материала. Оптимален режим, формирующий наиболее резкий
переход от максимальной температуры к минимальной, при котором
осуществляется наименьший тепловой вклад в процесс обработки, а
бо́льшая часть энергии расходуется на удаление материалов (испаре-
ние, абляция). С помощью моделирования определены оптимальные
параметры:
Длительность импульса, нс ............................... 100
Частота следования импульсов, кГц ................. 20
Средняя мощность, Вт ....................................... 20
Проводилось моделирование воздействия четырех импульсов,
следующих друг за другом с частотой 20 кГц. Поскольку применение
наносекундной системы неизбежно приводит к образованию жидкой
фазы металла, при обработке особое внимание было уделено пере-
крытию и распространению тепловых полей.
Правый ряд изображений на рис. 3 соответствует распределению
тепловых полей по окончании воздействия лазерного импульса, ле-
вый — показывает остаточный нагрев, возникающий перед приходом
следующего импульса. Перепады температур обозначены цветом:
синий — 300 К, красный — свыше 5 000 К. Установлено, что по до-
стижении такой температуры происходит 100%-ное удаление мате-
риала из зоны воздействия. Максимальная (расчетная) температура в
момент прихода импульса составляла, К: 36 000 для первого импуль-
са, 37 000 — для второго, 38 000 — для третьего и 39 000 — для чет-
вертого. Остаточная температура перед приходом каждого следу-
ющего импульса повышалась на ≈350 К. Распределение тепловых
полей происходило вглубь материала и было ограничено в краевых
областях при диаметре 90 мкм.
Для проверки результатов компьютерного моделирования прове-
ли серию натурных экспериментов. Лазерное излучение фокусирова-
лось на поверхность образца из нержавеющей стали посредством
плоскопольной фокусирующей системы. Согласно данным, получен-
ным путем моделирования, определены оптимальные параметры об-
работки, а именно: частота следования 20 кГц; средняя мощность
20 Вт; диаметр лазерного пучка в области обработки 30 мкм. По-
верхность образца обработана следующим образом. Область обра-
ботки состояла из четырех зон воздействия: в первую зону приходи-
лось по 1 импульсу в точку фокусировки, во вторую — по 2, соответ-
ственно, в третью и четвертую зоны по тому же алгоритму. Методом
растровой электронной микроскопии исследованы полученные об-
разцы, профиль образованных каверн, их глубина и диаметр.