ლაზერული მასალის ურთიერთქმედება - საკვანძო ხვრელის ეფექტი

საკეტის ხვრელების ფორმირება და განვითარება:

საკეტის ხვრელის განმარტება: როდესაც გამოსხივების გამოსხივება 10 ^ 6W/cm ^ 2-ზე მეტია, მასალის ზედაპირი ლაზერის ზემოქმედებით დნება და აორთქლდება. როდესაც აორთქლების სიჩქარე საკმარისად დიდია, წარმოქმნილი ორთქლის უკუცემის წნევა საკმარისია თხევადი ლითონის ზედაპირული დაჭიმულობისა და სითხის გრავიტაციის დასაძლევად, რითაც თხევადი ლითონის ნაწილს ანაცვლებს, რაც იწვევს აგზნების ზონაში გამდნარი გუბის ჩაძირვას და პატარა ორმოების წარმოქმნას; სინათლის სხივი პირდაპირ მოქმედებს პატარა ორმოს ფსკერზე, რაც იწვევს ლითონის შემდგომ დნობას და გაზიფიცირებას. მაღალი წნევის ორთქლი აგრძელებს ორმოს ფსკერზე არსებული თხევადი ლითონის იძულებას, რომ მიედინოს გამდნარი გუბის პერიფერიისკენ, რაც კიდევ უფრო აღრმავებს პატარა ხვრელს. ეს პროცესი გრძელდება და საბოლოოდ თხევად ლითონში საკეტის ხვრელის მსგავს ხვრელს წარმოქმნის. როდესაც პატარა ხვრელში ლაზერული სხივის მიერ წარმოქმნილი ლითონის ორთქლის წნევა წონასწორობას აღწევს თხევადი ლითონის ზედაპირულ დაჭიმულობასთან და გრავიტაციასთან, პატარა ხვრელი აღარ ღრმავდება და წარმოქმნის სიღრმის სტაბილურ პატარა ხვრელს, რასაც „პატარა ხვრელის ეფექტს“ უწოდებენ.

როდესაც ლაზერული სხივი სამუშაო ნაწილთან შედარებით მოძრაობს, პატარა ხვრელი წინა მხარეს ოდნავ უკან მოხრილი აქვს, ხოლო უკანა მხარეს - აშკარად დახრილ ინვერსიულ სამკუთხედს. პატარა ხვრელის წინა კიდე ლაზერის მოქმედების არეა, მაღალი ტემპერატურით და მაღალი ორთქლის წნევით, ხოლო უკანა კიდის გასწვრივ ტემპერატურა შედარებით დაბალია და ორთქლის წნევა მცირეა. ამ წნევისა და ტემპერატურის სხვაობის ქვეშ, გამდნარი სითხე პატარა ხვრელის გარშემო მიედინება წინა ბოლოდან უკანა ბოლომდე, ქმნის მორევს პატარა ხვრელის უკანა ბოლოში და საბოლოოდ მყარდება უკანა კიდეზე. ლაზერული სიმულაციითა და ფაქტობრივი შედუღებით მიღებული საკეტის ხვრელის დინამიური მდგომარეობა ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ ფიგურაში, მცირე ხვრელების მორფოლოგია და მიმდებარე გამდნარი სითხის ნაკადი სხვადასხვა სიჩქარით მოძრაობის დროს.

მცირე ზომის ხვრელების არსებობის გამო, ლაზერული სხივის ენერგია აღწევს მასალის შიგნით და ქმნის ამ ღრმა და ვიწრო შედუღების ნაკერს. ლაზერული ღრმა შეღწევადობის შედუღების ნაკერის ტიპური განივი კვეთის მორფოლოგია ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ ფიგურაში. შედუღების ნაკერში შეღწევადობის სიღრმე ახლოსაა საკეტის ხვრელის სიღრმესთან (უფრო ზუსტად, მეტალოგრაფიული ფენა 60-100 მიკრომეტრით უფრო ღრმაა, ვიდრე საკეტის ხვრელი, ერთით ნაკლები სითხის ფენა). რაც უფრო მაღალია ლაზერული ენერგიის სიმკვრივე, მით უფრო ღრმაა პატარა ხვრელი და მით უფრო დიდია შედუღების ნაკერში შეღწევადობის სიღრმე. მაღალი სიმძლავრის ლაზერული შედუღების დროს, შედუღების ნაკერში მაქსიმალური სიღრმისა და სიგანის თანაფარდობამ შეიძლება 12:1-ს მიაღწიოს.

შთანთქმის ანალიზილაზერული ენერგიაგასაღების ხვრელით

მცირე ხვრელებისა და პლაზმის წარმოქმნამდე, ლაზერის ენერგია ძირითადად გადაეცემა სამუშაო ნაწილის შიდა ნაწილს თბოგამტარობის გზით. შედუღების პროცესი მიეკუთვნება გამტარ შედუღებას (0.5 მმ-ზე ნაკლები შეღწევადობის სიღრმით) და მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე 25-45%-ს შორისაა. საკეტის ნახვრეტის ფორმირების შემდეგ, ლაზერის ენერგია ძირითადად შეიწოვება სამუშაო ნაწილის შიდა ნაწილის მიერ საკეტის ნახვრეტის ეფექტის მეშვეობით და შედუღების პროცესი გადადის ღრმა შეღწევადობის შედუღებად (0.5 მმ-ზე მეტი შეღწევადობის სიღრმით). შთანთქმის სიჩქარემ შეიძლება მიაღწიოს 60-90%-ს.

ლაზერის შთანთქმის გაძლიერებაში, როგორიცაა ლაზერული შედუღება, ჭრა და ბურღვა, უაღრესად მნიშვნელოვან როლს ასრულებს „საკვანძო ხვრელის“ ეფექტი. ლაზერის სხივი, რომელიც შედის „საკვანძო ხვრელში“, თითქმის მთლიანად შეიწოვება ხვრელის კედლიდან მრავლობითი არეკვლის გამო.

ზოგადად მიღებულია, რომ საკეტის ხვრელში ლაზერის ენერგიის შთანთქმის მექანიზმი მოიცავს ორ პროცესს: უკუ შთანთქმას და ფრენელის შთანთქმას.

წნევის ბალანსი საკეტის ხვრელში

ლაზერული ღრმა შეღწევადობის შედუღების დროს, მასალა განიცდის ძლიერ აორთქლებას და მაღალი ტემპერატურის ორთქლით წარმოქმნილი გაფართოების წნევა გამოდევნის თხევად ლითონს, რაც ქმნის პატარა ხვრელებს. მასალის ორთქლის წნევისა და აბლაციის წნევის (ასევე ცნობილი როგორც აორთქლების რეაქციის ძალა ან უკუცემის წნევა) გარდა, ასევე არსებობს ზედაპირული დაჭიმულობა, გრავიტაციით გამოწვეული სითხის სტატიკური წნევა და გამდნარი მასალის მცირე ხვრელში ნაკადით წარმოქმნილი სითხის დინამიური წნევა. ამ წნევებს შორის მხოლოდ ორთქლის წნევა ინარჩუნებს პატარა ხვრელის გახსნას, ხოლო დანარჩენი სამი ძალა ცდილობს პატარა ხვრელის დახურვას. შედუღების პროცესში საკეტის ხვრელის სტაბილურობის შესანარჩუნებლად, ორთქლის წნევა საკმარისი უნდა იყოს სხვა წინააღმდეგობების დასაძლევად და წონასწორობის მისაღწევად, რაც შეინარჩუნებს საკეტის ხვრელის ხანგრძლივ სტაბილურობას. გამარტივების მიზნით, ზოგადად ითვლება, რომ საკეტის ხვრელის კედელზე მოქმედი ძალები ძირითადად აბლაციის წნევაა (ლითონის ორთქლის უკუცემის წნევა) და ზედაპირული დაჭიმულობა.

საკეტის ხვრელის არასტაბილურობა

ფონი: ლაზერი მოქმედებს მასალების ზედაპირზე, რაც იწვევს დიდი რაოდენობით ლითონის აორთქლებას. უკუცემის წნევა ზეწოლას ახდენს გამდნარ აუზზე, ქმნის ნახვრეტებსა და პლაზმას, რაც იწვევს დნობის სიღრმის ზრდას. გადაადგილების პროცესში ლაზერი ხვდება ნახვრეტის წინა კედელს და ლაზერის მასალასთან შეხების პოზიცია იწვევს მასალის ძლიერ აორთქლებას. ამავდროულად, ნახვრეტის კედელი განიცდის მასის დაკარგვას და აორთქლება წარმოქმნის უკუცემის წნევას, რომელიც ზეწოლას ახდენს თხევად ლითონზე, რაც იწვევს ნახვრეტის შიდა კედლის რყევას ქვემოთ და ნახვრეტის ფსკერზე გამდნარი აუზის უკანა მხარეს გადაადგილების გამო. თხევადი გამდნარი აუზის წინა კედლიდან უკანა კედელზე რყევის გამო, ნახვრეტის შიგნით მოცულობა მუდმივად იცვლება. შესაბამისად, ნახვრეტის შიდა წნევაც იცვლება, რაც იწვევს გაფრქვეული პლაზმის მოცულობის ცვლილებას. პლაზმის მოცულობის ცვლილება იწვევს ლაზერული ენერგიის დაცვას, გარდატეხას და შთანთქმას, რაც იწვევს მასალის ზედაპირამდე მისული ლაზერის ენერგიის ცვლილებას. მთელი პროცესი დინამიური და პერიოდულია, რაც საბოლოოდ იწვევს ხერხისებრი და ტალღოვანი ლითონის შეღწევადობას და არ ხდება გლუვი, თანაბარი შეღწევადობის შედუღება. ზემოთ მოცემული ფიგურა წარმოადგენს შედუღების ცენტრის განივი ჭრილის ხედს, რომელიც მიღებულია შედუღების ცენტრის პარალელურად გრძივი ჭრით, ასევე ნახვრეტის სიღრმის ვარიაციის რეალურ დროში გაზომვით.IPG-LDD მტკიცებულებად.

გააუმჯობესეთ საკეტის ხვრელის სტაბილურობის მიმართულება

ლაზერული ღრმა შეღწევადობის შედუღების დროს, პატარა ხვრელის სტაბილურობის უზრუნველყოფა შესაძლებელია მხოლოდ ხვრელის შიგნით სხვადასხვა წნევის დინამიური ბალანსით. თუმცა, ხვრელის კედლის მიერ ლაზერული ენერგიის შთანთქმა და მასალების აორთქლება, ლითონის ორთქლის გამოტყორცნა პატარა ხვრელის გარეთ და პატარა ხვრელისა და გამდნარი წყლის წინ გადაადგილება ძალიან ინტენსიური და სწრაფი პროცესებია. გარკვეულ პროცესის პირობებში, შედუღების პროცესის გარკვეულ მომენტებში, არსებობს შესაძლებლობა, რომ პატარა ხვრელის სტაბილურობა ლოკალურად დაირღვეს, რაც შედუღების დეფექტებს გამოიწვევს. ყველაზე ტიპიური და გავრცელებულია პატარა ფორების ტიპის ფორიანობის დეფექტები და ნახვრეტის ჩამონგრევით გამოწვეული შხეფები;

მაშ, როგორ უნდა დავასტაბილუროთ გასაღების ხვრელი?

საკეტის ხვრელის სითხის რყევა შედარებით რთულია და მოიცავს ძალიან ბევრ ფაქტორს (ტემპერატურის ველი, ნაკადის ველი, ძალის ველი, ოპტოელექტრონული ფიზიკა), რომელთა მარტივად შეჯამება შესაძლებელია ორ კატეგორიად: ზედაპირული დაჭიმულობისა და ლითონის ორთქლის უკუცემის წნევას შორის ურთიერთობა; ლითონის ორთქლის უკუცემის წნევა პირდაპირ მოქმედებს საკეტის ხვრელების წარმოქმნაზე, რაც მჭიდრო კავშირშია საკეტის ხვრელების სიღრმესა და მოცულობასთან. ამავდროულად, როგორც შედუღების პროცესში ლითონის ორთქლის ერთადერთი ზემოთ მოძრავი ნივთიერება, ის ასევე მჭიდრო კავშირშია შხეფების წარმოქმნასთან; ზედაპირული დაჭიმულობა გავლენას ახდენს გამდნარი აუზის ნაკადზე;

ამგვარად, ლაზერული შედუღების სტაბილური პროცესი დამოკიდებულია გამდნარ აუზში ზედაპირული დაჭიმულობის განაწილების გრადიენტის შენარჩუნებაზე, ზედმეტი რყევების გარეშე. ზედაპირული დაჭიმულობა დაკავშირებულია ტემპერატურის განაწილებასთან, ხოლო ტემპერატურის განაწილება - სითბოს წყაროსთან. ამიტომ, კომპოზიტური სითბოს წყარო და რხევითი შედუღება სტაბილური შედუღების პროცესისთვის პოტენციური ტექნიკური მიმართულებებია;

ლითონის ორთქლისა და საკეტის ხვრელის მოცულობის გათვალისწინებით, ყურადღება უნდა მიექცეს პლაზმის ეფექტს და საკეტის ხვრელის ზომას. რაც უფრო დიდია ხვრელი, მით უფრო დიდია საკეტის ხვრელი და დნობის აუზის ქვედა წერტილში უმნიშვნელო რყევებია, რაც შედარებით მცირე გავლენას ახდენს საკეტის ხვრელის საერთო მოცულობასა და შიდა წნევის ცვლილებებზე; ამიტომ, რეგულირებადი რგოლის რეჟიმის ლაზერი (რგოლისებრი წერტილი), ლაზერული რკალის რეკომბინაცია, სიხშირის მოდულაცია და ა.შ. ყველა ის მიმართულებაა, რომლის გაფართოებაც შესაძლებელია.