eng
Выпуск #1/2009
Г.Туричин, Е.Земляков, Е.Поздеева, Е.Норман.
Объемная конденсация в плазменном факеле при лазерно-дуговом воздействии на материалы
Объемная конденсация в плазменном факеле при лазерно-дуговом воздействии на материалы
Просмотры: 2651
Кластеры конденсированной фазы образуются в результате расширения и охлаждения паров металла в плазменном факеле. Они понижают среднюю энергию электронов в плазме и влияют на протекание кинетических процессов. Статья посвящена исследованиям этого эффекта и заинтересует разработчиков технологий синтеза нанопорошков и получения тонких пленок и покрытий.
Фундаментальные исследования процессов формирования плазмы при воздействии высококонцентрированных потоков энергии на металлические материалы проводятся в Институте сварочных и лазерных технологий СПбГПУ более 10 лет. В результе созданы: кинетическая теория оптического лазерно-индуцированного разряда в парах металла, позволяющая описать влияние плазмы парогазового канала на протекание процессов лазерной сварки [1]; самосогласованная модель кинетики плазмы гибридного разряда с учетом взаимного влияния лазерного излучения и электрической дуги [2]; газодинамическая модель формирования химического состава плазменного факела при смешении паров металла с защитным газом [3]; самосогласованное аналитическое описание формирования плазменного факела при лазерно-дуговом воздействии, основанное на совместном решении задач газодинамики и плазменной кинетики без предположения о термодинамическом равновесии, с учетом объемного тепловыделения, диффузии, вязкости и сжимаемости парогазовой смеси [4].
Поглощая фотоны за счет эффекта обратного торможения, свободные электроны набирают энергию в лазерном поле, что приводит к частичной ионизации паров металла и развитию оптического (в случае лазерного воздействия) или лазерно-дугового (при гибридном воздействии) разряда. Плазменный факел над поверхностью обрабатываемого металла оказывает значительное влияние на ход как лазерных, так и гибридных лазерно-дуговых технологических процессов обработки, таких как сварка, наплавка и напыление. Разработанная самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики плазменного факела при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением [4] дает возможность определить основные характеристики плазменного факела и его влияния на распределение теплового источника на поверхности изделия. Полученные результаты предсказывают формирование узкого проводящего канала у поверхности образца и позволяют объяснить и количественно описать повышение концентрации энергетического вклада дуги. Это подтвердилось экспериментальными наблюдениями при гибридном лазерно-дуговом воздействии на материалы.
При мощном лазерном или лазерно-дуговом воздействии на металлические мишени поток испарившихся атомов смешивается с окружающим (защитным) газом, и последующее расширение этой смеси ведет к снижению ее температуры и пересыщению. В результате становится возможным образование и рост кластеров конденсированной фазы. Наличие конденсированной фазы в плазменном факеле может оказывать значительное влияние на кинетические процессы, протекающие в плазме, и, как следствие, на макроскопические характеристики самой плазмы. Причиной такого влияния является электронный обмен между плазмой и конденсатом.
Рост кластеров конденсированной фазы в плазменном факеле
Эволюцию кластеров в пароплазменной фазе можно описать с помощью следующей схемы:
Mn + M ↔ Mn+1,
где М – атом металла, Мn – кластер, состоящий из n атомов.
Изменение числа атомов в кластере (размер кластера) определяется балансом потока атомов к поверхности кластера и потока испарения атомов с поверхности кластера и образует уравнение роста:
.............
где а – радиус кластера, С – концентрация металлических паров на поверхности кластера, k – постоянная Больцмана, Т – температура газовой смеси, М – атомная масса испаряемого металла, rw – радиус Вигнера-Зейтса (модель жидкой капли), ρ – плотность газовой смеси, рatm – атмосферное давление, Tcl – температура поверхности кластера, R – универсальная газовая постоянная, L – удельная теплота испарения материала, Tb – температура кипения материала, σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкого металла, ρliq – плотность жидкого металла. Так как рост кластера происходит за счет атомов металла, приходящих из объема газовой смеси, то процесс описывается уравнением диффузии
..............
с граничными условиями на поверхности растущего кластера (при r = a)
..............
Концентрация атомов металла на значительном расстоянии от растущих кластеров определяется средним значением С0 (из решения задачи о смешении [4]):
.............
Используя стандартные методы математической физики при решении уравнения диффузии, для концентрации на поверхности кластера получим:
.............
Это выражение может быть упрощено за счет использования внутренней структуры и характерных масштабов значений под знаком интеграла. С учетом взаимного влияния растущих кластеров поверхностная концентрация определяется следующим выражением.
где a1 = 0,348; p = 0,47, alim – средний размер кластера, определяемый из функции распределения кластеров по размеру.
Вместе с уравнением роста (1) выражение (2) образует систему, решение которой дает значение концентрации железа пароплазменной фазе и размера кластера конденсированной фазы в любой момент времени. Динамика роста капли конденсата при ее движении вдоль продольной оси z плазменного факела представлена на рис.1.
За счет поглощения высокоэнергетичных электронов и испускания "холодных" электронов термоэмиссии конденсированная фаза является фактором, понижающим среднюю энергию ε электронов. Для учета этого эффекта в кинетическое уравнение для спектра электронов был добавлен член, описывающий электронный обмен "горячих" плазменных электронов, падающих на поверхность частиц конденсата, на "холодные" термоэлектроны. Концентрация и размеры частиц конденсата определялись по описанной выше методике. Расчеты показывают снижение средней энергии ε электронов и уменьшение общего числа свободных электронов в плазме, а также изменение формы их энергетического спектра (рис.2) при учете влияния конденсата. Степень конденсации определяет, какой процент от общей концентрации атомов в пароплазменном факеле находится в конденсированной фазе.
Совместное решение задачи о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера позволяют количественно оценить влияние процесса конденсации на концентрационные поля в плазменном факеле и, как следствие, на объемное тепловыделение в плазменном факеле, которое также зависит от электропроводности плазмы и коэффициента поглощения плазмой лазерного излучения.
Макроскопические характеристики плазмы, в свою очередь, определяются общим числом свободных электронов. Конденсация пересыщенного металлического пара, вылетающего из парогазового канала при лазерно-дуговом воздействии на материалы, существенно изменяет энергетический спектр плазменных электронов и значительно снижает степень ионизации плазмы, обеспечивающей формирование проводящего канала для электрической дуги.
Литература
1. Diltey U., Turichin G., Lopota V. et al. Kinetic description of keyhole plasma in laser welding. – J.Phys.D, 2000-33, №21, с. 2747–2753.
2. Turichin G., Dilthey U., Zemlyakov E., et al. Modeling of hybrid laser-arc discharge kinetics in the metal vapor jet, flowing to inert gas during hybrid welding with deep penetration. – Proceedings of 18-th Meeting on Mathematical Modeling of Materials Processing with Lasers, 2005.
3. Turichin G., Valdaytseva E., Zemlyakov E., et al. Boundary layer model of optic- arc discharge above the workpiece during hybrid welding.– Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, 2005.
4. Туричин Г., Григорьев А., Земляков Е. и др. Особенности формирования плазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке. – Теплофизика высоких температур, 2006г,т 44, № 5, с.655–663.
Поглощая фотоны за счет эффекта обратного торможения, свободные электроны набирают энергию в лазерном поле, что приводит к частичной ионизации паров металла и развитию оптического (в случае лазерного воздействия) или лазерно-дугового (при гибридном воздействии) разряда. Плазменный факел над поверхностью обрабатываемого металла оказывает значительное влияние на ход как лазерных, так и гибридных лазерно-дуговых технологических процессов обработки, таких как сварка, наплавка и напыление. Разработанная самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики плазменного факела при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением [4] дает возможность определить основные характеристики плазменного факела и его влияния на распределение теплового источника на поверхности изделия. Полученные результаты предсказывают формирование узкого проводящего канала у поверхности образца и позволяют объяснить и количественно описать повышение концентрации энергетического вклада дуги. Это подтвердилось экспериментальными наблюдениями при гибридном лазерно-дуговом воздействии на материалы.
При мощном лазерном или лазерно-дуговом воздействии на металлические мишени поток испарившихся атомов смешивается с окружающим (защитным) газом, и последующее расширение этой смеси ведет к снижению ее температуры и пересыщению. В результате становится возможным образование и рост кластеров конденсированной фазы. Наличие конденсированной фазы в плазменном факеле может оказывать значительное влияние на кинетические процессы, протекающие в плазме, и, как следствие, на макроскопические характеристики самой плазмы. Причиной такого влияния является электронный обмен между плазмой и конденсатом.
Рост кластеров конденсированной фазы в плазменном факеле
Эволюцию кластеров в пароплазменной фазе можно описать с помощью следующей схемы:
Mn + M ↔ Mn+1,
где М – атом металла, Мn – кластер, состоящий из n атомов.
Изменение числа атомов в кластере (размер кластера) определяется балансом потока атомов к поверхности кластера и потока испарения атомов с поверхности кластера и образует уравнение роста:
.............
где а – радиус кластера, С – концентрация металлических паров на поверхности кластера, k – постоянная Больцмана, Т – температура газовой смеси, М – атомная масса испаряемого металла, rw – радиус Вигнера-Зейтса (модель жидкой капли), ρ – плотность газовой смеси, рatm – атмосферное давление, Tcl – температура поверхности кластера, R – универсальная газовая постоянная, L – удельная теплота испарения материала, Tb – температура кипения материала, σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкого металла, ρliq – плотность жидкого металла. Так как рост кластера происходит за счет атомов металла, приходящих из объема газовой смеси, то процесс описывается уравнением диффузии
..............
с граничными условиями на поверхности растущего кластера (при r = a)
..............
Концентрация атомов металла на значительном расстоянии от растущих кластеров определяется средним значением С0 (из решения задачи о смешении [4]):
.............
Используя стандартные методы математической физики при решении уравнения диффузии, для концентрации на поверхности кластера получим:
.............
Это выражение может быть упрощено за счет использования внутренней структуры и характерных масштабов значений под знаком интеграла. С учетом взаимного влияния растущих кластеров поверхностная концентрация определяется следующим выражением.
где a1 = 0,348; p = 0,47, alim – средний размер кластера, определяемый из функции распределения кластеров по размеру.
Вместе с уравнением роста (1) выражение (2) образует систему, решение которой дает значение концентрации железа пароплазменной фазе и размера кластера конденсированной фазы в любой момент времени. Динамика роста капли конденсата при ее движении вдоль продольной оси z плазменного факела представлена на рис.1.
За счет поглощения высокоэнергетичных электронов и испускания "холодных" электронов термоэмиссии конденсированная фаза является фактором, понижающим среднюю энергию ε электронов. Для учета этого эффекта в кинетическое уравнение для спектра электронов был добавлен член, описывающий электронный обмен "горячих" плазменных электронов, падающих на поверхность частиц конденсата, на "холодные" термоэлектроны. Концентрация и размеры частиц конденсата определялись по описанной выше методике. Расчеты показывают снижение средней энергии ε электронов и уменьшение общего числа свободных электронов в плазме, а также изменение формы их энергетического спектра (рис.2) при учете влияния конденсата. Степень конденсации определяет, какой процент от общей концентрации атомов в пароплазменном факеле находится в конденсированной фазе.
Совместное решение задачи о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера позволяют количественно оценить влияние процесса конденсации на концентрационные поля в плазменном факеле и, как следствие, на объемное тепловыделение в плазменном факеле, которое также зависит от электропроводности плазмы и коэффициента поглощения плазмой лазерного излучения.
Макроскопические характеристики плазмы, в свою очередь, определяются общим числом свободных электронов. Конденсация пересыщенного металлического пара, вылетающего из парогазового канала при лазерно-дуговом воздействии на материалы, существенно изменяет энергетический спектр плазменных электронов и значительно снижает степень ионизации плазмы, обеспечивающей формирование проводящего канала для электрической дуги.
Литература
1. Diltey U., Turichin G., Lopota V. et al. Kinetic description of keyhole plasma in laser welding. – J.Phys.D, 2000-33, №21, с. 2747–2753.
2. Turichin G., Dilthey U., Zemlyakov E., et al. Modeling of hybrid laser-arc discharge kinetics in the metal vapor jet, flowing to inert gas during hybrid welding with deep penetration. – Proceedings of 18-th Meeting on Mathematical Modeling of Materials Processing with Lasers, 2005.
3. Turichin G., Valdaytseva E., Zemlyakov E., et al. Boundary layer model of optic- arc discharge above the workpiece during hybrid welding.– Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, 2005.
4. Туричин Г., Григорьев А., Земляков Е. и др. Особенности формирования плазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке. – Теплофизика высоких температур, 2006г,т 44, № 5, с.655–663.
Отзывы читателей
