Орчин үеийн үйлдвэрлэлд,лазер гагнуурын технологисансар судлалаас эхлээд автомашины үйлдвэрлэл, электрон тоног төхөөрөмжөөс эхлээд эмнэлгийн хэрэгсэл хүртэл янз бүрийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг бөгөөд өндөр үр ашиг, нарийвчлал, дасан зохицох чадварын давуу талуудтай. Энэхүү технологийн гол цөм нь лазерыг материалтай харилцан үйлчлэх, хайлсан цөөрөм үүсгэж, хурдан хатууруулах, улмаар металл эд ангиудыг холбох боломжийг олгодог. Гагнуурын цөөрөм нь лазер гагнуурын гол чиглэл бөгөөд түүний шинж чанар нь гагнуурын чанар, бичил бүтэц, эцсийн гүйцэтгэлийг шууд тодорхойлдог. Тиймээс хайлсан цөөрмийн шинж чанарыг гүнзгий ойлгож, нарийн хянах нь лазер гагнуурын технологийн түвшинг сайжруулж, үйлдвэрлэлийн өндөр чанартай гагнасан холболтын хэрэгцээг хангахад чухал ач холбогдолтой юм.
Хайлсан усан сангийн геометр
Лазер гагнуурын судалгаанд гагнуурын цөөрмийн геометр нь чухал тал бөгөөд учир нь энэ нь гагнуурын процессын үед дулаан дамжуулалт, материалын урсгал болон эцсийн гагнуурын чанарт шууд нөлөөлдөг. Хайлмал цөөрмийн хэлбэрийг ихэвчлэн түүний гүн, өргөн, харьцаа, дулаанд өртсөн бүсийн (HAZ) геометр, түлхүүрийн нүхний геометр, хайлсан металлын бүсийн (MMA) геометрээр тодорхойлдог. Эдгээр параметрүүд нь зөвхөн гагнасан холболтын хэмжээ, хэлбэрийг тодорхойлохоос гадна гагнуурын процессын үед дулааны мөчлөг, хөргөлтийн хурд, бичил бүтцийн үүсэлтэд нөлөөлдөг.
Хүснэгт 1. Лазер гагнуурын параметрүүдийн гагнуурын сан бүрийн геометрийн параметрүүдэд үзүүлэх нөлөө.
Судалгаагаар лазерын хүч болон гагнуурын хурд нь гагнуурын усан сангийн геометрт нөлөөлдөг хоёр үндсэн процессын параметр болохыг харуулж байна. Ерөнхийдөө лазерын хүч нэмэгдэж, гагнуурын хурд буурах тусам гагнуурын усан сангийн гүн нэмэгдэж, өргөн нь харьцангуй бага өөрчлөгддөг. Учир нь лазерын өндөр хүч нь илүү их энерги өгч, материалыг илүү хурдан хайлуулж, ууршуулах боломжийг олгодог бөгөөд Зураг 1-т үзүүлсэн шиг илүү гүн нүх, усан сан үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч лазерын хүч хэт өндөр эсвэл гагнуурын хурд хэт бага байх үед энэ нь материалын хэт халалт, хэт их ууршилт, тэр ч байтугай плазмын хамгаалалтын нөлөөнд хүргэж, гагнуурын чанарыг бууруулдаг. Тиймээс гагнуурын бодит процесст гагнуурын усан сангийн хамгийн тохиромжтой геометрийг олж авахын тулд тодорхой материалын шинж чанар, гагнуурын шаардлагын дагуу лазерын хүч болон гагнуурын хурдыг боломжийн үнээр сонгох шаардлагатай.
Зураг 1. Лазерын дулаан дамжуулалтын гагнуур болон лазерын гүн нэвтрэлтийн гагнуураар үүссэн өөр өөр гагнуурын хэлбэрүүд.
Лазерын хүч болон гагнуурын хурдаас гадна материалын дулааны физик шинж чанар, гадаргуугийн төлөв байдал, хамгаалалтын хий болон бусад хүчин зүйлс нь гагнуурын усан сангийн геометрт нөлөөлнө. Жишээлбэл, материалын дулаан дамжуулалт өндөр байх тусам материалаар дамжин дулаан дамжуулах хурд өндөр, хайлсан усан сангийн хөргөлтийн хурд өндөр байх бөгөөд энэ нь хайлсан усан сангийн харьцангуй бага хэмжээтэй болоход хүргэж болзошгүй юм. Материалын гадаргуугийн барзгар байдал, цэвэр байдал нь лазерын шингээлтийн хурдад нөлөөлж, улмаар хайлсан усан сангийн үүсэл, тогтвортой байдалд нөлөөлнө. Үүнээс гадна хамгаалалтын хийн төрөл, урсгалын хурд нь хайлсан усан сангийн хэлбэр, чанарт тодорхой нөлөө үзүүлэх бөгөөд тохирох хамгаалалтын хий нь хайлсан усан санг исэлдэлт, бохирдлоос үр дүнтэй урьдчилан сэргийлэхээс гадна хайлсан усан сангийн гадаргуугийн хурцадмал байдал болон урсгалын шинж чанарыг тохируулж, гагнуурын чанарыг сайжруулж чадна.
Зураг 2. Лазер савлах үеийн хайлсан цөөрмийн хэлбэр.
Лазер туяаны траекторыг өөрчилснөөр лазерын хэлбэлзэл нь хайлсан цөөрмийн хэлбэр, шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөөлж болох бөгөөд үүнийг Зураг 2-т үзүүлэв. Лазер туяа хэлбэлзэх тусам хайлсан цөөрмийн хэлбэр илүү жигд, тогтвортой болдог. Хэлбэлздэг лазер туяа нь цөөрмийн гадаргуу дээр илүү өргөн халсан талбайг бий болгож, цөөрмийн ирмэгийг илүү жигд болгож, хурц ирмэг, жигд бус хэлбэрийг бууруулдаг. Энэхүү жигд халаалт нь гагнасан холболтын чанар, механик шинж чанарыг сайжруулж, ан цав, нүх сүв зэрэг гагнуурын согогийг бууруулахад тусалдаг. Үүнээс гадна, лазерын савлуур нь хайлсан цөөрмийн шингэнийг нэмэгдүүлж, хайлсан цөөрөм дэх хий, хольцыг гадагшлуулахад хувь нэмэр оруулж, гагнасан холболтын нягтрал, жигд байдлыг улам сайжруулдаг.
Хайлсан усан сангийн динамик
Хайлсан цөөрмийн термодинамик нь лазер гагнуурын судалгааны бас нэгэн гол салбар бөгөөд хайлсан цөөрөмд лазерын энергийг шингээх, дамжуулах, хувиргах, түүнчлэн температурын талбайн тархалт, хөргөлтийн хурд болон түүнээс үүдэлтэй фазын шилжилтийн зан төлөвийг хамардаг. Гагнуурын цөөрмийн термодинамик шинж чанар нь зөвхөн гагнуурын цөөрмийн хэлбэр, хэмжээг тодорхойлохоос гадна гагнасан холболтын бичил бүтэц, механик шинж чанарт шууд нөлөөлдөг.
Лазер гагнуурын процесст лазерын энергийг материал шингээж авсны дараа хайлалтын цөөрөмд өндөр температурын хэсэг үүсч, материалыг хайлуулж, ууршуулдаг. Үүний зэрэгцээ дулаан нь дулаан дамжуулалт, конвекц, цацраг туяагаар дамжин өндөр температурын бүсээс бага температурын бүс рүү шилждэг тул хайлсан цөөрмийн эргэн тойрон дахь материалын температур нэмэгдэж, улмаар материалын бичил бүтэц, шинж чанарт нөлөөлдөг. Хайлсан цөөрмийн жижиг хэмжээ, том температурын градиент, хурдан хөргөлтийн хурд зэргээс шалтгаалан температурын талбар болон хөргөлтийн хурдыг шууд хэмжихэд маш хэцүү байдаг. Тиймээс ихэнх судалгааг математик загвар, тоон симуляцийн аргуудыг бий болгосноор хайлсан цөөрмийн термодинамик шинж чанарыг судлах зорилгоор хийдэг.
Хайлмал цөөрмийн термодинамик загварт дараах гол хүчин зүйлсийг ихэвчлэн анхаарч үзэх шаардлагатай: Нэгдүгээрт, материалын гадаргуугийн тусгал, шингээлт, дамжуулалтын шинж чанар, материалын доторх лазерын тархалт, шингээлтийн процесс зэрэг лазерын энергийн шингээлтийн механизм. Янз бүрийн материал болон лазерын параметрүүд нь шингээлтийн хурд болон энергийн тархалтыг өөр өөрөөр бий болгодог бөгөөд энэ нь хайлмал цөөрмийн термодинамик зан төлөвт нөлөөлнө. Хоёрдугаарт, материалын дулааны физик шинж чанар, тухайлбал хувийн дулаан багтаамж, дулаан дамжуулалт, нягтрал гэх мэт эдгээр параметрүүд нь температурын өөрчлөлттэй хамт өөрчлөгдөх бөгөөд энэ нь дулаан дамжуулах процесст чухал нөлөө үзүүлдэг. Үүнээс гадна хайлмал цөөрөм дэх шингэний урсгал болон фазын өөрчлөлтийн процессууд, тухайлбал хайлах, уурших, хатуурах зэрэг процессуудыг авч үзэх шаардлагатай бөгөөд энэ нь хайлмал цөөрмийн хэлбэр, температурын талбайн тархалтыг өөрчлөхөөс гадна материалын бичил бүтэц, механик шинж чанарт нөлөөлнө.
Тоон симуляци болон туршилтын судалгаагаар судлаачид хайлсан цөөрмийн температурын талбайн тархалт нь ихэвчлэн мэдэгдэхүйц жигд бус байдаг, өндөр температурын талбай нь голчлон лазерын үйлчлэлийн талбай болон түлхүүрийн нүхэнд төвлөрдөг бөгөөд температур нь хайлсан цөөрмийн ирмэг болон дулаанд өртсөн бүс хүртэл аажмаар буурдаг болохыг тогтоожээ. Хайлсан цөөрмийн хэмжээ багасаж, лазерын талбайгаас холдох тусам хөргөлтийн хурд нэмэгддэг. Ерөнхийдөө хайлсан цөөрмийн төв болон түлхүүрийн нүхний хэсэгт хөргөлтийн хурд бага байдаг бол хайлсан цөөрмийн ирмэг болон дулаанд өртсөн бүсэд хөргөлтийн хурд өндөр байдаг бөгөөд Зураг 2-т үзүүлэв. Энэхүү жигд бус температурын талбай болон хөргөлтийн хурдны тархалт нь гагнасан холболтын бичил бүтцэд үр тарианы хэмжээ, фазын найрлага, тархалт зэрэг мэдэгдэхүйц градиент өөрчлөлтөд хүргэж, гагнасан холболтын механик шинж чанар болон зэврэлтээс хамгаалах чадварт нөлөөлнө.
Зураг 3. Зэвэрдэггүй ган хавтанг лазераар гүн нэвтрэлтийн гагнуурын үед түлхүүрийн нүх болон хайлсан цөөрөм үүсэх симуляцийн үр дүн.
Хайлмал цөөрмийн термодинамик шинж чанарыг сайжруулах, гагнуурын чанарыг сайжруулах, гагнуурын согогийг бууруулахын тулд хэд хэдэн оновчлолын арга, арга хэмжээг санал болгосон. Жишээлбэл, лазерын хүч, гагнуурын хурд, цэгийн диаметр гэх мэт лазерын параметрүүдийг тохируулах замаар хайлмал цөөрмийн температурын талбар болон хөргөлтийн хурдыг оновчтой болгохын тулд лазерын энергийн оролтын горим болон тархалтыг өөрчилж болно. Үүнээс гадна хайлмал цөөрмийн термодинамик зан төлөв болон бичил бүтцийн хувьслыг урьдчилан халаах, халаасны дараа халаах, олон дамжуулалттай гагнуур болон бусад процессын аргуудыг ашиглах, мөн янз бүрийн хамгаалалтын хий, гагнуурын агаар мандлыг ашиглах замаар тохируулж болно. Үүний зэрэгцээ материалын дулааны тогтвортой байдал болон гагнуурын гүйцэтгэлийг сайжруулахын тулд шинэ гагнуурын материал болон хайлшийн системийг боловсруулах нь хайлмал цөөрмийн термодинамик шинж чанарыг сайжруулах чухал аргуудын нэг юм.
Лазер гагнуурын цөөрмийн шинж чанар нь гагнуурын чанар, бичил бүтэц, механик шинж чанарт нөлөөлдөг гол хүчин зүйлүүд юм. Лазер гагнуурын цөөрмийн геометр болон термодинамик шинж чанарыг гүнзгийрүүлэн судлах нь лазер гагнуурын процессыг оновчтой болгох, гагнуурын үр ашиг, чанарыг сайжруулахад чухал ач холбогдолтой юм. Олон тооны туршилтын судалгаа, тоон симуляцийн шинжилгээгээр судлаачид хэд хэдэн чухал судалгааны үр дүнд хүрсэн бөгөөд энэ нь лазер гагнуурын технологийг хөгжүүлэх, хэрэглэхэд хүчтэй онолын дэмжлэг, техникийн удирдамж өгдөг. Гэсэн хэдий ч одоогийн судалгаанд загварыг хялбаршуулсан, хэт олон таамаглал байгаа, нарийн төвөгтэй ажлын нөхцөлд хайлмал цөөрмийн шинж чанарыг урьдчилан таамаглах нь хангалттай нарийвчлалгүй байгаа зэрэг зарим дутагдалтай талууд байсаар байна. Системчилсэн, цогц туршилтын судалгааг сайжруулах шаардлагатай бөгөөд илүү олон материал, гагнуурын параметрүүдийн талаар гүнзгий судалгаа дутмаг байна.
Нийтэлсэн цаг: 2025 оны 2-р сарын 28
