Коаксиаль нунтаг тэжээлд лазер бүрээс, нунтаг болон лазерын харилцан үйлчлэл нь нарийвчлал, чанарт шууд нөлөөлнө бүрээсийг бүрдүүлэх. Хэт улаан туяаны камер нь лазер дахь нунтаг хайлах шинж чанарыг шууд олж авч чадахгүй. Иймд нунтаг бодисоор дулаан шингээлтийг шинжлэх замаар нунтаг хайлуулах динамик төлөвийг цуглуулах өндөр хурдны камерын системийг ашиглаж, нунтаг хайлуулах үйл явцын динамик аналитик загварыг бий болгодог. Хайлтын янз бүрийн үе шатанд лазерын нөлөөлөл, хайлсан усан санд орж буй нунтагны температурын шинж чанарыг симуляцийн аргаар шинжилдэг. Үр дүн нь лазерын өндөр хурдны камерын системээр цуглуулсан нунтаг хайлах динамик төлөвт "хатуу төлөв → хатуу шингэн хоёр фазын төлөв → шингэн төлөв" гэсэн гурван ердийн хайлах үе шат байгааг харуулж байна. Нунтаг хайлуулах динамик шинж чанарыг математик аналитик загвараар шинжлэх боломжтой бөгөөд янз бүрийн үе шатуудын термофизикийн төлөв байдал нь нунтаг ба лазерын хоорондох дулааны харилцан үйлчлэлийн динамик аналитик загвартай байдаг. Нунтаг хайлуулах үйл явцад лазерын хүч, фокусын хэмжээ, нунтаг тээвэрлэх хийн урсгалын нөлөөллийг шинжилнэ. Үүний зэрэгцээ, өөр өөр лазерын хүчин чадлын үе шат бүрийн үргэлжлэх хугацаанд үзүүлэх нөлөөг дуурайж, субстратад хүрэх нунтаг хэсгүүдийн температурын тархалтыг урьдчилан таамаглахын тулд дүн шинжилгээ хийдэг. Лазерын хүч 100 Вт-аас 1500 Вт хүртэл нэмэгдэхэд хайлсан цөөрөмд орж буй нунтагны температур шугаман бусаар өөрчлөгдөж, температур 750 ℃-аас 3250 ℃ хүртэл нэмэгддэг болохыг тогтоожээ.

Лазер бүрэх үйл явц нь эрчим хүчний өндөр төвлөрөл, дулааны нөлөөлөлд өртсөн жижиг бүс, сайн хэлбэржилт гэх мэт давуу талтай. Бүрээсний үйл явцыг хянахад хялбар, үйлдвэрлэлийн өртөг бага, металлын засвар, гадаргууг бэхжүүлэхэд сайн нөлөө үзүүлдэг. хэсгүүд. Коаксиаль нунтаг тэжээлийн лазер бүрэх горим нь гэрлийн нунтаг сайн холболттой, өндөр нарийвчлалтай, орон зайн өндөр эрх чөлөө, хүчтэй изотропитой тул лазер нэмэлт үйлдвэрлэх технологийн чухал сонголт болсон. Хэмжилтийн нарийвчлал ба чанарын хяналт нь лазерын нэмэлтийг үйлдвэрлэх гол түлхүүр юм. Одоогийн байдлаар үйлдвэрлэлийн практикт тэдгээрийн ихэнх нь зохицуулалт хийхдээ олон тооны процессын туршилт, гарын авлагын туршлагад тулгуурладаг. Онолын загварууд нь үнэн зөв, чанарын таамаглалд хүрэхийн тулд зохион байгуулалтын хувьсал, механизмыг бүрдүүлэх үүднээс бий болдог. Тэдгээрийн дотроос лазер ба материалын дулааны харилцан үйлчлэл, дулаан хуваарилах механизм гэх мэт нь лазер бүрээсийг нарийн бүрдүүлэх, өндөр гүйцэтгэлтэй бүрдүүлэхэд чухал нөлөө үзүүлдэг. Тиймээс лазер ба нунтаг хоёрын дулааны харилцан үйлчлэлийн нарийн төвөгтэй горимын судалгааг хийхийн тулд туршилтыг загварчлалтай хослуулах, коаксиаль нунтаг тэжээлийн нунтаг ба лазерын хоорондох дулааны харилцан үйлчлэлд дүн шинжилгээ хийх, динамик аналитик загварыг бий болгох, механизмыг тодруулах шаардлагатай байна. хайлсан усан сан руу орох гэж буй нунтагны дулааны физик төлөвт лазерын дулааны эх үүсвэрийн шинж чанарын нөлөө.

Одоогийн байдлаар коаксиаль нунтаг тэжээгч лазер бүрээсийн дулааны физикийн талаархи судалгаа нь лазер дээрх нунтаг шингээх, тараах горим, гэрэл ба нунтаг хоорондын дулааны харилцан үйлчлэлийн хэлбэр, хайлсан усан сангийн дулааны физик төлөв байдалд голчлон анхаарч байна. Тэдгээрийн дотроос гэрэл ба нунтаг хоорондын дулааны харилцан үйлчлэл нь бусад физик процессуудад чухал нөлөө үзүүлдэг. Шрей нар зэрэг дотоод гадаадын олон эрдэмтэд энэ талаар маш их судалгаа хийсэн. Урьдчилан тохируулсан лазер бүрэх процессын хувьд хайлсан усан сангийн температур, бүрээсийн геометр, субстратын шингэрүүлэлт зэргийг урьдчилан таамаглахын тулд эрчим хүчний дамжуулалт, алдагдлын механизм болон хайлсан материалын гадаргуугийн хурцадмал байдлыг харгалзан параметрийн нэгдсэн шинжилгээний загварыг санал болгож байна; Yang Yicheng нар. Лазерын цацрагийн дор нунтаг туяа, бөөмсийн өөрчлөлтийн шинж чанарыг судлахын тулд "арын дүрсийг сайжруулах" түр зуурын зураг авах арга, дүрс мэдээлэл боловсруулах технологийг ашигласан, тодруулсан төлөвт байгаа тоосонцрын тоо, тод талбайн нийт талбай, Нэг ширхэгийн тод талбайн дундаж талбайг шинж чанарын үзүүлэлт болгон, лазер коаксиаль нунтаг тэжээлийн нэмэлтийг үйлдвэрлэх процесст үзүүлэх үйл явцын параметрийн нөлөөллийн шинж чанарыг хослуулж, гэрлийн нунтаг харилцан үйлчлэлийн процессыг санал болгож байна. үйл явцын үндсэн параметрүүдийг үндэслэлтэй тааруулах замаар зохицуулсан; Жу Мин нар. урьдчилан тохируулсан нунтаг болон лазерын хоорондын харилцан үйлчлэлийн зан үйлийг загварчилж, дуурайсан. Дүгнэж хэлэхэд, холбогдох судалгаанууд нь гэрлийн нунтаг үйл ажиллагааны явцад эрчим хүчний дамжуулалт, гэрлийн нунтаг үйл явцын орон зайн температурын талбайн тархалтад голчлон анхаардаг бол гэрлийн нунтаг үйл ажиллагааны динамик үйл явцын судалгаа бага байдаг. гэрлийн нунтаг үйл ажиллагааны явцад нунтагны дулааны физик төлөвийн хувьсал, хайлсан цөөрөмд орох нунтаг хэсгүүдийн төлөв байдал.

Коаксиаль нунтаг тэжээх лазер бүрэх явцад хайлсан усан сангийн гадаргуу дээр металлын уур, плазм байдаг тул дулааны дүрслэлийн уламжлалт аргууд нь хайлсан усан сан руу орох гэж буй нунтагны температур, төлөвийг үнэн зөв тусгахад хэцүү байдаг. . Нунтаг хайлуулах эцсийн шатанд лазерын дулааны эх үүсвэрийн механизмыг тоон байдлаар шинжлэх нь маш хэцүү байдаг. Эцсийн шатанд нунтгийн температур, төлөв байдалд процессын параметрийн нөлөөллийг нарийвчлан судлахын тулд коаксиаль нунтаг тэжээлийн дизайныг гаргажээ. лазер бүрээс туршилтын платформ, хэт улаан туяаны дулааны дүрслэл авах систем, өндөр хурдны камер авах системийг боловсруулсан. Нунтаг хайлах янз бүрийн үе шатуудын дагуу нунтаг хайлах үйл явцыг дүрсэлж чадах динамик термофизик аналитик загварыг бий болгосон. Төрөл бүрийн лазерын хүчинд нунтаг хайлах үе шатны үргэлжлэх хугацааг дуурайж, тооцоолсон. Загварыг өндөр хурдны камерын дагуу засч, оновчтой болгосон. Төгсгөлд нь янз бүрийн лазерын хүчээр нунтаг хайлсан усан санд хүрэх үеийн температур, төлөв байдлыг тоон байдлаар олж авсан нь хайлсан усан сан руу нунтагны дулаан дамжуулах байдал, хайлсан усан сангийн термодинамик төлөвийг цаашид судлах онолын үндэслэл болсон юм. , гэх мэт, нунтаг хайлах үйл ажиллагааг хянах онолын үндэслэл болсон.

1 Туршилтын арга

Туршилтын сонголт №45 нүүрстөрөгчийн бүтцийн ганг 120 мм × 80 мм × 6 мм хэмжээтэй субстрат болгон ашигласан. Нунтаг материалаар өндөр хатуулагтай Ni60A хайлшны нунтагыг 80 ~ 160μm ширхэгийн хэмжээтэй нунтаг материалаар сонгосон. Химийн найрлагыг 1-р хүснэгтэд үзүүлэв. Туршилтын өмнө нунтагыг 120 ℃ эсэргүүцэлтэй зууханд хийж 1 цагийн турш хатаахын тулд нунтаг дахь чийгийг арилгасан. Үүний зэрэгцээ 45 дугаартай ганг зүлгүүрээр өнгөлж, гадаргуугийн зэв, ислийн хальсыг арилгаж, дараа нь ацетон спиртээр арчиж гадаргуугийн тосыг арилгасан.

Энэхүү нийтлэлд ашигласан FL-Dlight-1500 лазерын дулааны эх үүсвэр нь голчлон шууд гаралтын тэгш өнцөгт спот хагас дамжуулагч лазераас бүрдэнэ. Толбоны хамгийн бага хэмжээ нь 1 мм × 3 мм, долгионы урт нь 976 нм ± 10 нм, гаралтын хамгийн их хүч нь 1 500 Вт. Нунтаг тэжээлийн төхөөрөмж нь ECPF 2-2 LC плазмын нунтаг тэжээгч бөгөөд өндөр хүчдэлээр тоноглогдсон. -Aidis-ийн үйлдвэрлэсэн DIAS-ыг ашиглан нарийн коаксиаль цагираг нунтаг тэжээх цорго. Богино долгионы өндөр температурт хэт улаан туяаны дулааны камерыг гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн дулааны процессыг ажиглахад ашигласан. Хэмжилтийн температур 900 ~ 2 500 ℃, алдаа 1%, хэмжилтийн давтамж 60 Гц байв. Лазер нэмэлт болон дахин боловсруулах процессын системд VEO 410L өндөр хурдны камер ашигласан, зураг авалтын фрэймийн хурд 10 000 fps, өртөх хугацаа 1 мкс, линз нь Nikon AF60 мм f/2.8D тогтмол фокустай макро линз, болон туслах гэрлийн эх үүсвэр нь олж авах үйл явцын тодосгогчийг сайжруулахын тулд HSX-F300 ксенон чийдэн ашигласан. Туршилт ба олж авах системийг 1-р зурагт үзүүлэв.

2 Нунтаг хайлуулах үйлдлийг илрүүлэх, загварчлах, загварчлах

2.1 Хэт улаан туяаны дулааны дүрслэлийг олж авах, нунтаг хайлуулах үйл явцын шинжилгээ

Хөнгөн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн орон зай дахь нунтаг температурын тархалт, хайлсан цөөрөмд орж буй нунтагны дулааны физик төлөвийг судлахын тулд нунтаг тэжээлийн хурд 0.25р/мин, зөөгч хийн урсгалын хурд 7 л/мин байв. , нунтаг тэжээлийн өндөр нь 20 мм, лазерын фокус 0 мм, сканнердах хурд нь 4 мм/с туршилтын нөхцөлд янз бүрийн лазерын хүчин чадлын дор лазер ба нунтаг хоёрын дулааны харилцан үйлчлэлийг хэт улаан туяаны дулааны камер ашиглан цуглуулсан. 2-р зурагт үзүүлсэн ба хошуу ба субстратын байрлалыг 3-р зурагт үзүүлэв.

Зураг 2-т үзүүлснээр лазерын хүч аажмаар нэмэгдэхийн хэрээр гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн талбар дахь температур аажмаар нэмэгдэж, нунтаг температурын өндөр температурын талбай аажмаар нэмэгдэж, аажмаар нунтаг тэжээх цорго, нунтаг руу ойртож байна. Температур нь уртааш тэнхлэгийн дагуу аажмаар жигд тархдаг. Шинжилгээгээр лазерын хүч аажмаар нэмэгдэхийн хэрээр гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн талбар дахь лазерын энергийн нягтрал аажмаар нэмэгдэж байгааг харж болно. Лазерын хүчийг нэмэгдүүлэх, багасгах нь нунтагны хөдөлгөөний замд нөлөөлөхгүй. Гэсэн хэдий ч лазерын хүчийг нэмэгдүүлбэл, гэрлийн нунтаг үйлчилсний дараа нунтаг нь илүү өндөр лазер энергийг шингээж, нунтаг температур тэр даруй нэмэгддэг. Тиймээс нунтагны өндөр температурт хэсэг нь уртаашаа сунаж, аажмаар нунтаг тэжээлийн цорго руу ойртдог. Хайлсан усан санд хүрэхээс өмнө хайлсан нунтаг эзлэх хувь нэмэгддэг. Лазерын хүч 700 Вт ба түүнээс дээш байх үед нунтаг температур хурдацтай нэмэгдэж, хайлсан усан сан болон хайлсан усан сангийн ойролцоох талбайд металлын уур гарч, лазерын хүчийг аажмаар нэмэгдүүлнэ. Металлын уур нь нунтаг температурын хэт улаан туяаны дулааны дүрслэлд ихээхэн нөлөөлдөг. Хэт улаан туяаны дулааны дүрслэлийн хамгийн дээд хүрээ нь 2 ℃ байдаг бол металлын уураар бүрхэгдсэн хэсгийн температур энэ хязгаараас давж, лазерын хүч нэмэгдэх тусам энэ талбай нэмэгддэг. Тиймээс бага лазерын хүчин чадалтай нунтаг хайлсан усан сан руу ороход л температурыг хэт улаан туяаны дүрслэлээр хэмжиж болно.

2.2 Коаксиаль нунтаг тэжээл ба лазерын хоорондох дулааны харилцан үйлчлэлийн шинж чанарыг цуглуулах, дүн шинжилгээ хийх

Хагас дамжуулагч лазерын коаксиаль нунтаг тэжээлийн үйлдвэрлэлийн процессын явцад нунтаг нь лазерын талбарт орсны дараа "хатуу төлөв → хатуу шингэн хоёр фазын төлөв → шингэн төлөв → эзэлхүүний тэлэлт → хийжүүлэх → плазм" -аас шилжинэ. Уран зохиолоос харахад гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн дор олж авсан нунтагны физик төлөв нь лазерын цацрагийн янз бүрийн түвшинд өөр өөр байдаг бөгөөд нунтаг хоорондын тод байдлын ялгаа нь гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн түвшний ялгааг шууд тусгадаг. "Арын дүрсийг сайжруулах" тусламжтайгаар хатуу нунтаг нь лазерын талбарт коаксиаль байдлаар тэжээгддэг бөгөөд нунтаг нь лазерын эрчим хүчээр цацруулж, халаадаг. Энэ нь хайлах цэгт хүрэхэд дулааныг үргэлжлүүлэн шингээх болно. Хайлалтын далд дулаан гадагш гарч, хатуу шингэний хувирал үүснэ. Энэ үед өндөр хурдтай гэрэл зургийн тусламжтайгаар нунтаг өнгө нь хараас тод цагаан болж аажмаар өөрчлөгдөж байгааг ажиглаж болно. Бүх нунтаг хараас тод цагаан болж өөрчлөгдөхөд энэ нь фазын өөрчлөлт дууссаныг илтгэнэ. Хэрэв хайлсан нунтаг дулааныг үргэлжлүүлэн шингээж авбал эзэлхүүн нэмэгдэх болно. Температур нь уурших температурт хүрэхэд хайлсан нунтагны эргэн тойронд металлын уур үүсч, бүр плазм гарч ирнэ. Нэг нунтаг хайлах шинж чанар нь нийт нунтаг цацрагийн хайлах шинж чанартай маш төстэй юм. Хэдийгээр коаксиаль нунтаг тэжээх лазер бүрэх үед илүү олон нунтаг байдаг ч нэг нунтаг хайлах ердийн зан чанарыг судалж болно.

1-р зургийг ашиглан коаксиаль нунтаг тэжээх хагас дамжуулагч лазер бүрэх туршилтын системийг барьж, нэг нунтаг хайлах үйл ажиллагаанд дүн шинжилгээ хийх, цуглуулах ердийн нунтаг бүрэх процессыг сонгосон. Лазерын хүчийг зохих ёсоор тохируулсан тохиолдолд лазерын нөлөөгөөр лазер руу орж буй нунтаг нь металлын уур эсвэл плазм руу бүрэн хувирахгүй бөгөөд энэ нь гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн дулааны процесс мөн тогтмол байдаг. Тиймээс лазерын үйл ажиллагааны талбарт орж буй нунтаг хайлах процессыг хялбаршуулж болно.

Бүх нунтаг нь хий эсвэл плазм болж хувирах магадлал бага бөгөөд бүхэл бүтэн дулааны процесст бага нөлөө үзүүлдэг тул нунтаг хайлуулах процессыг хялбаршуулж, гурван онцлог үе шатыг гаргаж авахыг Зураг 4. Нунтаг тэжээлийн үзүүлэлтүүдийн дагуу 0.25. r/min, нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурд 7 л/мин, нунтаг тэжээлийн өндөр 20 мм, лазерын фокусын хэмжээ 0 мм, сканнердах хурд 4 мм/с, өөр өөр лазер хүчийг ашигладаг. Хатуу нунтаг хайлуулах процессыг өндөр хурдны видеогоор цуглуулж, Matlab программ хангамж ашиглан боловсруулдаг. Зурган дээрх хайлах нунтагын тод байдал ба пикселийн талбайг шинж чанарын дохио болгон ашигладаг. Шинжилгээгээр нунтаг нь лазерын үйл ажиллагааны талбарт орохоос эхлээд хайлсан цөөрөмд унах хүртэлх гурван үе шаттай байдаг, тухайлбал 3 Онцлогийн 1-р үе шат: хайлах үе шат, нунтаг цоргоноос гадагшилдаг. хөдөлгөөний хугацаа 0 ~ 9.8 мс бөгөөд лазерын цацрагийн бүсэд орсны дараа дулааныг шингээж, хар хатуу бодисоос цагаан шингэн болж хувирч эхэлдэг. Энэ үе шатанд нунтагласан шинж чанар нь саарал өнгийн утгууд 0 ~ 160 ба пикселийн утга 0 ~ 2 пиксел; Онцлог үе шат 2: бүрэн тодруулах үе шат, нунтаг хөдөлгөөн хийх хугацаа 9.9 ~ 12 мс, нунтаг нь лазерын дулааны харилцан үйлчлэлийн дор дулааныг үргэлжлүүлэн шингээж, дээрээс доош хайлж, эцэст нь бүрэн тод шингэн бөөмс болдог. Энэ үе шатанд нунтагласан шинж чанар нь саарал өнгийн 160 ~ 255, пикселийн утга 2 ~ 5 пиксел; 3-р үе шат: хайлсан дусал хайлсан усан сангийн үе шатанд орж, нунтаг хөдөлгөөний хугацаа 12.1 ~ 18 мс, шингэн нунтаг нь лазерын дулааны харилцан үйлчлэлээр дулааныг шингээж, эзэлхүүн нэмэгдсээр байна. Мөн энэ үед өд үүсэх боломжтой. Эцэст нь нунтаг нь хайлсан усан санд өндөр температурт шингэн хэлбэрээр ордог. Энэ үе шатанд нунтагласан шинж чанар нь саарал өнгийн утгууд юм. 255, пикселийн утга 5 пикселээс их байна. Дүгнэж хэлэхэд, нунтаг нь лазерын "хатуу төлөв → хатуу шингэн хоёр фазын төлөв → шингэн төлөв" гэсэн өөрчлөлтийг хийдэг.

2.3 Нунтаг лазерт оруулах үед хайлах үйл явцын дулааны физик процессын шинжилгээ.

Зураг 4-т үзүүлснээр лазер дахь нунтаг хайлах хэлбэр нь динамик бөгөөд энерги шингээх үйл явц нь мөн динамик юм. Тиймээс лазерд орсны дараа нунтаг хайлах үйл ажиллагааны тодорхойлолт нь мөн динамик байх ёстой. Гэсэн хэдий ч одоо байгаа ихэнх
Дулааны физик загварт статик ба нэг дулаан шингээлтийн тэгшитгэлийг ашигладаг. Иймд лазер дахь хатуу нунтаг хайлах үйлдлийг дүрслэхийн тулд янз бүрийн шинж чанарын үе шатуудын дагуу динамик дулааны физик загварыг бий болгож, хайлсан усан сан руу орж буй нунтаг төлөв, температурыг тооцоолж, дүн шинжилгээ хийх шаардлагатай байна.

2.3.1 Лазер дулааны эх үүсвэрийн загвар

Нунтаг хайлах үйл явцад дулааны эх үүсвэрийн шинж чанарын нөлөөллийг шинжлэхийн тулд эхлээд лазерын дулааны эх үүсвэрийн загварыг бий болгосон. Гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн энерги дамжуулах хэлбэр ба зөөвөрлөгч нь харьцангуй нарийн төвөгтэй байдаг тул гэрлийн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн процессын хувьд дараах таамаглалыг хийх шаардлагатай: ① Лазерын энергийг багасгах нь нөлөөллийг үл тоомсорлож, нунтаг шингээх, тараах замаар явагддаг. плазмын; ② Нунтаг дээр ажиллаж буй лазерын энергийн нягтын шинжилгээ нь трапец хэлбэрийн тархалтын дагуу хийгдсэн; ③ Судалгаанд хамрагдсан нунтаг нь гэрэл ба нунтаг хоорондын харилцан үйлчлэлийн дараа хайлсан усан санд ордог; ④ Металлын уур нь нунтаг дээр дулаан дамжуулах хэлбэрээр үйлчилдэг боловч нөлөө нь харьцангуй бага байдаг тул металлын уурын нунтаг температурт үзүүлэх нөлөөг судалгаанд үл тоомсорлодог. Тэгш өнцөгт хагас дамжуулагч лазерын дулааны эх үүсвэр нь 5-р зурагт үзүүлсэн шиг x чиглэлд гаусс, y чиглэлд трапец хэлбэрээр тархсан байна.

Хагас дамжуулагч лазерын дулааны эх үүсвэр нь уртын чиглэлд эрчим хүчний хуваарилалтын жигд байдлыг хамгийн сайн харуулсан трапец хэлбэрийн тархалт юм. Үүний зэрэгцээ лазер бүрэх чиглэл нь лазер толбоны уртын чиглэлд перпендикуляр байна. Тиймээс лазерын дулааны эх үүсвэрийн загварыг хялбарчлахын тулд нунтаг нь лазерын өргөний чиглэлд перпендикуляр хамгийн их энергитэй хавтгайн дагуу хайлсан усан сан руу шилждэг гэж үзэх шаардлагатай. Лазерын дулааны нөлөөлөлд өртсөний дараа лазерын энергийн нягтралын трапец хэлбэрийн тархалтын дагуу дулааны физик шинж чанарыг шинжилдэг. Лазерын эрчим хүчний хуваарилалтын хялбаршуулсан томъёог (1) томьёогоор зурагт үзүүлэв: qlaser нь гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн орон зайн аль ч байрлал дахь лазерын энергийн нягт; P нь лазерын хүч; W нь лазер цэгийн өргөн; L нь толбоны урт; y нь лазер туяаны уртын дагуух зай юм.

Лазер бүрээсийг коаксиаль нунтаг тэжээх хэлбэрээр гүйцэтгэх үед нунтаг нь нунтаг зөөвөрлөх агаарын урсгалд нөлөөлж, хөдөлгөөний хэлбэр нь харьцангуй төвөгтэй байдаг. Цагираган нунтаг тэжээлийн хувьд хөнгөн нунтаг дулааны харилцан үйлчлэлийн орон зай дахь нунтаг нь агаарын урсгалын эсэргүүцэл ба өөрийн хүндийн хүчний нөлөөнд автдаг тул хүчний хэлбэр нь илүү төвөгтэй бөгөөд тэдгээрийн хүч, хөдөлгөөний хэлбэрийг шинжлэхэд илүү төвөгтэй байдаг. Гэсэн хэдий ч цагираг хэлбэрийн нунтаг тэжээлийн бүрээсийн толгой ба нунтаг цацрагийн тэгш хэмийн өндөр байдлаас шалтгаалан нунтаг тэжээлийн параметрүүд тогтмол байх үед ижил хөндлөн огтлолтой нунтаг нь ижил хүч, хөдөлгөөний хэлбэртэй байна. Иймд энэхүү нийтлэлд лазерын толбоны өргөний төв чиглэлд хоёр хэмжээст хөндлөн огтлол дахь нунтагын хөдөлгөөний загвар, хүч
горимыг Зураг 6-д үзүүлэв.

Нунтаг тэжээх хошуунаас хайлсан цөөрөм хүртэлх нэг нунтагын хөдөлгөөнийг хэвтээ ба босоо чиглэлд задалж болно. Хоёр чиглэлд t1 ба t2 хөдөлгөөний хугацааг кинематикаар тооцоолж болно. Лазерын үйл ажиллагааны талбар дахь хөдөлгөөний хамгийн их хугацааг t = min[t1, t2] гэж тооцоолж болно, өөрөөр хэлбэл зураг дээрх томьёо (2)-ыг үзнэ үү, энд: v0 нь нунтаг тэжээлийн хошуу дахь нунтаг хурд; az - босоо чиглэлд нунтаг хурдатгал; ay - хэвтээ чиглэлд нунтаг хурдатгал; θ нь нунтаг тусах өнцөг юм.
Лазерын энергийн хуваарилалт (1) нь нунтаг хөдөлгөөний загвартай (2) нийлдэг бөгөөд лазер туяанд ямар ч үед t-ийн энергийн нягтрал qlaser-ийг зурагт үзүүлсэн (3) хэлбэрээр авна. Үүнд: t нь нунтаг лазерын аль ч байрлалд шилжихэд шаардагдах хугацаа юм.

2.3.2 Онцлогийн 1-р үе шатанд дулааны физик процессын загварчлал

Лазерын талбарт орох эхний шатанд нунтаг нь лазерын харилцан үйлчлэлээр хайлдаггүй, харин бага температурт хатуу төлөвөөс өндөр температурт хатуу төлөвт шилждэг. Энэ үеийн энерги дамжуулах балансын тэгшитгэлийг зурагт үзүүлэв. Формула (4) (5). Томъёонд: нунтаг нь хатуу; Qp-хатуу нь нунтаг шингээсэн дулаан юм; Qp-solidabs нь t1 үе шатанд нунтаг шингэсэн лазерын дулаан; Qp-solidcon нь дулааны конвекцээр нунтагаар алдагдах дулаан; Qp-solidrad нь дулааны цацрагийн нөлөөгөөр нунтаг алдагдах дулаан; αsolid нь лазерыг шингээх нунтагны харьцаа; hp-хатуу нь нунтаг дулааны конвекцийн дулаан дамжуулах коэффициент; Tp-solid(t) нь эхний шинж чанарын үе дэх нунтагны эцсийн бодит цагийн температур; ρp-хатуу нь нунтагны нягт; Cp-хатуу нь нунтагны хувийн дулаан багтаамж; нэг нунтаг бөөмийн радиус; T0 нь орчны температур; нунтаг нь лазерын ялгаруулалт юм; Больцманы тогтмол юм.

Томъёо (5)-аас харахад 1-р үе шатны шинж чанарын t1 үргэлжлэх хугацаа qlaser(t)-аар нэмэгддэг. Өөрөөр хэлбэл, лазерын хүч P ба нунтаг тусах өнцөг θ буурах үед лазерын фокус D болон нунтаг тусгалын анхны тусгал үүсдэг. v0 хурд нэмэгдэж, 1-р үе шатны шинж чанарын t1 үргэлжлэх хугацаа нэмэгдэж, нунтаг бодит цагийн температурын өсөлтийн хурд Tp-хатуу(t) удааширна.

2.3.3 2-р үе шатны шинж чанарын термофизик процессын загварчлал

Нунтаг нь хатуу шингэн фазын шилжилтийг хийж эхэлдэг. Нунтаг нь дулааныг шингээж авахын зэрэгцээ фазын шилжилтийн улмаас хайлах далд дулааныг ялгаруулдаг. Энэ үе шатанд лазерын энерги зөөвөрлөгчийн дулааны физик төлөв өөрчлөгдөх ба энерги дамжуулах балансын тэгшитгэлийг зураг дээрх (6) (7) томъёонд үзүүлэв. Үүнд: Qp-далд гэдэг нь нунтаг фазын шилжилтийн үед ялгарах энерги юм.

Үүнд: ∆Hf нь хайлалтын далд дулаан, Tm нь нунтаг хайлах цэг юм. Хатуу-шингэний шилжилтийн үед нунтаг температурын зөрүү бага байдаг тул энэ утга нь ойролцоогоор Tm-тэй тэнцүү байх тул (7) томьёог зурагт (8) томъёогоор хялбаршуулсан болно.

Тэгшитгэл (8)-аас дүгнэж хэлэхэд 2-р үе шат (t2−t1) шинж чанарын үргэлжлэх хугацаа нь лазерын хүч P ба нунтагны тусгалын өнцөг θ багасах тусам нэмэгдэж, мөн нунтагны ширхэгийн дундаж хэмжээ rp байх тусам буурдаг. нунтгийн анхны хурд v0, лазерын фокусын хэмжээ D буурна.

2.3.4 3-р үе шатны шинж чанарын термофизик процессын загварчлал

Нунтаг нь хатуу шингэн шилжилтийг дуусгасан бөгөөд хайлсан усан сан руу унахаасаа өмнө тасралтгүй лазерын дулаанд өртсөн хэвээр байна. Нунтагны хатуу ба шингэн фазын термофизикийн параметрүүдийн ялгаа их байдаг тул энэ үе шатны термофизикийн процессыг шингэний төлөвийн дамжуулалтын термофизикийн параметрийн дагуу тохируулах шаардлагатай байдаг. Дулаан дамжуулах балансын тэгшитгэлийг зураг дээрх (9) тэгшитгэлд үзүүлэв. Томъёонд: нунтаг нь бүгд шингэн; Qp-шингэн нь нунтаг шингээсэн дулаан; Qp-liquidabs нь нунтаг дээр ажилладаг лазерын дулаан; Qp-liquidcon нь дулааны конвекцийн улмаас нунтаг алдагдах дулаан; Qp-liquidrad нь дулааны цацрагийн улмаас нунтаг алдагдах дулаан юм.

Томъёонд: нунтаг нь бүгд шингэн; α шингэн нь лазерын шингээлтийн түвшин; hp-шингэн нь конвекцийн дулаан дамжуулах коэффициент; Tp-шингэн (t) нь бодит цагийн температур; ρp-шингэн нь нягтрал; Cp-шингэн нь дулааны хувийн багтаамж юм.

Томъёо (10)-аас харахад шинж чанарын 2-р үе шат (t3−t2) үргэлжлэх хугацаа нь шингэн нунтаг Tp-шингэний(t) бодит цагийн температур, нунтаг хөдөлгөөний анхны хурд v0, лазертай холбоотой болохыг харж болно. P хүч, лазерын эерэг фокусын хэмжээ D, нунтаг туссан өнцөг θ болон бусад үзүүлэлтүүд. Хэрэв нунтаг температурыг нэгэн зэрэг өсгөвөл лазерын эерэг фокусын хэмжээ D, нунтаг хөдөлгөөний анхны хурд v0 буурч болно. Лазерын хүчийг P багасгаж, нунтаг тусах өнцгийг θ нэмэгдүүлэх ба энэ үед нунтаг 3-р үе шатанд удаан үргэлжлэх болно.

2.4 Нунтаг хайлуулах зан үйлийн симуляцийн шинжилгээ

2.4.1 Нунтаг хайлуулах үйл ажиллагаанд лазерын хүч үзүүлэх нөлөө

Хагас дамжуулагч лазерын коаксиаль нунтаг үйлдвэрлэх явцад хайлсан усан сангийн гадаргуу нь металлын уураар хучигдсан байдаг тул нунтаг нь хайлсан усан сан руу орох үед температурыг хэмжихэд хүндрэлтэй байдаг ч дээрх загварыг ашиглан усны температурыг тооцоолох боломжтой. хайлсан усан сан руу ороход нунтаг, мөн хайлсан усан сан руу ороход нунтаг физик төлөвийг урьдчилан таамаглах. Уг загвар нь өөр өөр лазерын хүчин чадлын дор гурван онцлог үе шатанд нунтаг үргэлжлэх хугацааг тооцоолоход хэрэглэгддэг. Ижил лазерын хүч болон бусад параметрүүдийн дагуу үе шат бүрийн бодит үргэлжлэх хугацааг өндөр хурдны камераар бүртгэдэг. Загварын үнэн зөвийг өмнөх ба дараах хугацааг харьцуулах замаар баталгаажуулдаг. Олж авсан загварт үндэслэн нунтаг хайлсан усан сан руу орох үеийн температур, төлөв байдалд дүн шинжилгээ хийж, шүүнэ.

Дараах загварчлалын нөхцөлд: нунтаг тэжээлийн хурд 0.25 р/мин, нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурд 7 л/мин, лазерын фокус 0 мм, нунтаг тэжээлийн өндөр 20 мм, нунтаг тусах өнцөг 45 °, томъёо (3), томъёо (5) , томьёо (1) ба (2) дахь t3, t8, t10 цагуудад харгалзах бодит цагийн нунтаг температур T(t) t1 үе шат бүрийн үргэлжлэх хугацаанд янз бүрийн лазерын хүч qlaser-ийн нөлөөг олж авахын тулд Matlab-аар загварчилсан. , (t2−t1) ба (t3−t2). Симуляцийн параметрүүдийг 2-р хүснэгтэд үзүүлэв.

Симуляцийн утга нь туршилтын утгаас тодорхой хазайлттай байна. Шинж чанар 1-ийн симуляцийн утга нь туршилтын утгаас үргэлж их байдаг ба шинж чанарын 3-р үеийн симуляцийн утга нь туршилтын утгаас үргэлж бага байдаг. Бага чадалтай 1-р үе шат, өндөр хүчин чадалтай шинж чанарын 3-р шатны үргэлжлэх хугацаа нь туршилтын үр дүнгээс нэлээд ялгаатай, учир нь бага чадалтай 1-р үе шат, өндөр хүчин чадалтай шинж чанар 3-р үе шат харьцангуй байна. урт. Зураг 7-д үзүүлсэн шиг симуляцийн загварчлалд үл тоомсорлодог хайлсан усан сангийн дулааны тусгал, металлын уурын өндөр дулаан зэрэг хүчин зүйлүүд хоёуланд нь саад болдог.

2.4.2 Нунтаг хайлуулах үйл ажиллагаанд анхаарлаа төвлөрүүлэх нөлөө

Нунтаг тэжээлийн хурд 0.25 р/мин, нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурд 7 л/мин, сканнердах хурд 4 мм/с, нунтаг тэжээлийн өндөр 20 мм, ба лазерын хүч 1 100 Вт, коаксиаль лазер бүрэх үед гэрлийн нунтаг харилцан үйлчлэлийн орон зай дахь температурын тархалтад фокусын нөлөөллийг судлахын тулд 8-р зурагт үзүүлсэн шиг фокусыг тохируулсан.

Зураг 8-аас харахад фокусын өсөлт нь лазер толбоны хажуугийн чиглэлд нунтаг хайлах хэмжээг ихэсгэх ба нунтаг хэсгүүдийн температурын хуваарилалтын жигд байдал нь лазер толбоны хажуугийн чиглэлд нэмэгдэх болно. . Нунтаг температурын өндөр температурын талбайн хэмжээ эхлээд нэмэгдэж, дараа нь буурч, өндөр температурт байгаа нунтаг хэсгүүд нь эхлээд ойртож, дараа нь цоргоноос хол байдаг. Шалтгаан нь фокус 0 мм-ээс ихэсдэг бөгөөд энэ нь лазерын хажуугийн чиглэлийн энергийн хамгийн их хуваарилалтын хөндлөн огтлол нь субстратаас цорго руу аажмаар шилждэг гэсэн үг юм. Төвлөрөл нь + 10 мм байх үед нунтаг хэсгүүдийн гэрлийн нунтаг харилцан үйлчлэлд шингээх эрчим хүчний дундаж нягт нь хамгийн том; фокус нь + 10 мм-ээс хэтэрсэн тохиолдолд лазерын фокус ба субстрат хоорондын зай хэт том байх ба лазерийн цацраг дивергент төлөвт байгаа тул нунтаг хэсгүүдийн гэрлийн нунтаг харилцан үйлчлэлд шингээх энергийн дундаж нягт нь фокусын урт нэмэгдэх тусам буурдаг. Иймээс нунтаг хэсгүүд лазер толбоны хажуугийн чиглэлд илүү хайлж, нунтаг хайлах жигд бус байдал энэ чиглэлд буурч, нунтаг температурын өндөр температурын талбайн хэмжээ нэмэгдэж, дараа нь буурдаг.

Нунтаг тэжээлийн хэмжээ 0.25 р/мин, сканнердах хурд 4 мм/с, нунтаг тэжээлийн өндөр 20 мм, лазерын хүч 1 100 Вт, фокусын хэмжээ 0 мм гэсэн параметрүүдийн дагуу нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурдыг тохируулснаар коаксиаль лазер бүрэх үед гэрлийн нунтаг харилцан үйлчлэлийн орон зай дахь температурын тархалтыг нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурдыг судалсан. 5-р зурагт үзүүлсэн шиг нунтаг зөөгч хийн урсгалын хурд 7, 9, 11, 9 л/мин байх үед.

9-р зурагнаас харахад зөөгч хийн урсгалын хурд аажмаар нэмэгдэхийн хэрээр хайлсан нунтаг хэсгүүдийн тоо бага зэрэг буурч, нунтаг хэсгүүдийн өндөр температурын талбайн хэмжээ харьцангуй буурч, температурын жигд байдал ажиглагдаж байна. нунтаг хэсгүүдийн тархалт сулардаг. Шалтгаан нь зөөгч хийн урсгалын хурд нь хөнгөн нунтаг үйл ажиллагааны орон зай дахь нунтаг хэсгүүдийн хөдөлгөөний хурд, орон зайн тархалтад нөлөөлдөг. Тээвэрлэгч хийн урсгалын хурд нэмэгдэхийн хэрээр гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн орон зай дахь нунтаг хэсгүүдийн хөдөлгөөний хурд нэмэгдэж, гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн орон зайд үйлчлэх хугацаа багасч, ижил байрлал дахь нунтаг хэсгүүдийн температур аажмаар нэмэгддэг. буурч, хайлсан усан сан руу унах үед температур нь мөн буурах болно. Бүхэл бүтэн өнгөлгөөний явцад үүссэн металлын уур нь мөн үүний дагуу буурч, гэрлийн нунтаг үйл ажиллагааны орон зай дахь нунтаг хэсгүүдийн концентраци мөн буурч байна. Гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн орон зайн температурын хуваарилалтад лазерын хүч ба фокусын нөлөөлөлтэй харьцуулахад зөөгч хийн урсгалын хурдны өөрчлөлт нь гэрлийн нунтаг үйлчлэлийн орон зайн температурын хуваарилалтад бага нөлөө үзүүлдэг.

2.4.3 Янз бүрийн лазерын хүчин чадалтай нунтаг хайлах үе шатны температурын загварчлал

Нунтаг ширхэгийн хэмжээ 120 мкм байх үед зөөгч хийн урсгалын хурд 7 л/мин, нунтаг тусах өнцөг 45°, нунтаг анхны хурд 0.8 мм/мс, лазерын фокус 0 мм, нунтаг тэжээл өндөр нь 20 мм. Дулааны физикийн загварт хийсэн өөрчлөлт дээр үндэслэн Matlab хэрэглүүрийг янз бүрийн лазерын хүчин чадалд тохирох нунтаг температурыг загварчлахад ашигладаг бөгөөд 10-р зурагт үзүүлсэн шиг янз бүрийн лазерын хүчин чадлын үед нунтаг температурын өөрчлөлтийн хандлагыг олж авдаг.

Зураг 10-д үзүүлснээр лазерын үйл ажиллагааны эхний үе шатанд нунтаг температурын өсөлт нь хайлах дунд болон эцсийн үе шаттай харьцуулахад мэдэгдэхүйц их байгаа нь хатуу нунтаг лазерын энергийг илүү шингээж, алддаг үзэгдлийг тайлбарлаж байна. шингэн нунтагтай харьцуулахад бага эрчим хүч. Хоёрдугаарт, лазерын хүч 100 Вт байхаас бусад тохиолдолд температурын муруй нь 1 060 ℃ ба 1 260 ℃ гэсэн хоёр нугалах цэгтэй байдаг. Эндээс харахад хамгийн хурдан өсөлтийн хурд нь 1 060 ℃-аас доош халаалтын муруй, хамгийн удаан өсөлт нь 1 260 ℃-аас дээш температурын муруй юм. 1 060 ~ 1 260 ℃ халаалтын муж дахь температурын өсөлтийн хурд нь дээрх хоёрын хооронд байна. Учир нь нунтаг нь 1 060 хэмд хайлж, 1 260 хэмд хайлж эхэлдэг. ℃, мөн хатуу ба шингэн төлөвт нунтаг бодисыг лазерт шингээх хурд, алдагдлын хурд өөр өөр байдаг тул халаалтын муруйн налуу өөр өөрөөр хэлбэл температурын өсөлтийн хурд өөр байна. Нэмж дурдахад, нунтаг нь нунтагтай харилцан үйлчлэхийн тулд лазер руу ороход температурын өсөлтийн хурд аажмаар нэмэгдэж байгааг халаалтын муруйгаас харж болно; хайлах төгсгөлд температурын өсөлтийн хурд аажмаар буурдаг. Учир нь тэд трапец хэлбэрийн лазерын дулааны эх үүсвэрийн ирмэг дээр хөдөлж, эрчим хүчний нягтрал өөрчлөгддөг.

3 Дүгнэлт

(1) Лазер дахь нунтаг хайлах динамик шинж чанарыг өндөр хурдны видеогоор цуглуулдаг. Нунтаг хайлуулах үндсэн гурван үе шат байдаг нь тогтоогдсон: "хатуу → хатуу-шингэн хоёр фазын төлөв → шингэн төлөв". Өөр өөр шинж чанарын үе шатуудын үргэлжлэх хугацаа, хайлах шинж чанарын тэгшитгэл нь өөр өөр байдаг. Үүний үндсэн дээр нунтаг хайлуулах динамик үйлдлийг тодорхойлж чадах математик аналитик загварыг бий болгосон.

(2) Гэрлийн нунтаг үйл ажиллагааны орон зай дахь нунтаг температурын тархалтад лазерын хүч, төвлөрлийг арилгах хэмжээ, нунтаг тээвэрлэх хийн урсгалын хурдны нөлөөг шинжилнэ. Үүний зэрэгцээ уг загварыг шинж чанар бүрийн үе шат бүрийн үргэлжлэх хугацаанд янз бүрийн лазерын хүчин чадлын үр нөлөөг шинжлэхэд ашигладаг. Субстрат дээр ирж буй нунтаг хэсгүүдийн температурын тархалтыг загварчилж, урьдчилан таамаглаж байна. Лазерын хүч 100 Вт-аас 200 Вт хүртэл нэмэгдэх тусам нунтаг хайлах температур нэмэгддэг болохыг тогтоожээ. Лазерын хүч 1500 Вт хүртэл нэмэгдэхэд хайлсан усан сан руу орох нунтаг температур шугаман бус байдлаар өөрчлөгддөг. Симуляцийн үр дүнгээс харахад лазерын хүч 100 Вт-аас 1500 Вт хүртэл нэмэгдэхэд хайлсан усан сан руу орох нунтаг температур 750 ℃-аас 3250 ℃ хүртэл нэмэгддэг.