Топология кратера после воздействия лазерного излучения на поверхность стали 40Х13 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.3

DOI 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1080-1082

ТОПОЛОГИЯ КРАТЕРА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛИ 40Х13

© П.М. Кузнецов, А.О. Жигачев

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,

e-mail: kuznetsovpm@list.ru

Исследована морфология поверхности стали 40Х13 при воздействии лазерного излучения. Показано, что при низких интенсивностях формирования волнообразного рельефа не происходит. Увеличение пространственного инкремента связано с увеличением массопереноса из центральной части кратера в периферийную под действием давления паров отдачи. При этом происходит увеличение глубины кратера, а также изменение кривизны поверхности с выпуклой формы на конусообразную форму. Ключевые слова: горение; расплав; морфология; лазерное излучение.

Лазерная обработка различных металлических деталей широко используется в промышленности (сварка, резка, маркировка поверхности и т. д.). Например, в процессе лазерной маркировки нержавеющих сталей поверхность детали становится гофрированной. Нивелирование такого поверхностного дефекта является пока еще не решенной задачей.

Цель работы заключалась в исследовании особенностей морфологии поверхности стали 40Х13 при воздействии лазерного излучения различной интенсивности.

В работе использовали пластины нержавеющей стали марки 40Х13 [1] с размерами 30x15x0,9 мм [2]. Облучали образцы на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната легированного неодимом (свободная генерация). Длина волны излучения 1,064 мкм с хаотической поляризацией. Энергию воздействия лазерного импульса определяли измерителем энергии и мощности ИЭМ-4-1. Энергия импульса и время воздействия составляют 3 ± 0,1 Дж и 3 мс соответственно. Исследование поверхности проводили при помощи бесконтактного оптического профилометра Wyko NT 9080 (Bruker AXS, США). Все эксперименты проводились при комнатной температуре при обдуве мишени смесью окружающего воздуха и аргона (скорость подачи 5 л/мин).

Расчет плотности мощности (J) производили по формуле:

J = W, tS

где Ш - энергия в импульсе; т - время воздействия и S -площадь отпечатка пучка на поверхности (форма отпечатка - окружность).

Для варьирования плотности мощности, не изменяя при этом время воздействия и энергию излучения, использовали пространственную каустику лазерного пучка (рис. 1), при движении вдоль которой изменяется только радиус падающего пучка и, следовательно, плотность мощности (интенсивность) падающего ла-

зерного излучения. В наших экспериментах использовали каустику для энергии 3 Дж.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2. Видно, что при облучении поверхности с интенсивностью 1,30-105 Вт-см-2 (рис. 2а) происходит незначительное оплавление. Также на поверхности отсутствует кольцеобразный рельеф, поэтому эту интенсивность можно рассматривать в качестве пороговой для образования кольцевого рельефа, при этом диаметр кратера составляет 0,72 мм. При движении вдоль каустики (в сторону уменьшения диаметра лазерного пучка) при росте интенсивности происходит увеличение степени оплавления поверхности с одновременным формированием волнового рельефа, который образуется в результате появления термокапиллярной неустойчивости [2; 5]. Повышение интенсивности выше ~ 3,3-105 Вт-см-2 приводит к уменьшению амплитуды волнового рельефа, что, по-видимому, связано с интенсивным удалением материала из зоны воздействия лазерного излучения (происходит увеличение глубины кратера) из-за выгорания железа [2] и действия паров отдачи.

Рис. 1. Форма каустики для различных энергий сфокусированного лазерного излучения (X = 3 мс)

2016. Т. 21, вып. 3. Физика

Рис. 2. Вид кратера после воздействия лазерного излучения с различной плотностью мощности на поверхность нержавеющей стали: а) 1,30-105 Вт-см-2; б) 1,70-105 Вт-см-2; в) 2,64-105 Вт-см-2; г) 3,37-105 Вт-см-2

Рис. 3. Зависимость пространственного инкремента от плотности мощности

В качестве одной из характеристик морфологии кратера приняли степень искривления поверхности, по которой можно качественно проследить меру воздействия отдачи продуктов окисления на поверхность расплава при горении железа. Степень искривления поверхности изменяется при увеличении плотности мощности. Практически во всех кратерах (кроме рис. 2а, 2г) поверхность имеет выпуклую форму. При малых интенсивностях поверхность имеет плоскую горизонтальную форму (рис. 2а), при высоких - конусообразную форму (рис. 2г). Это также связано с возрастающим действием отдачи продуктов окисления при горении металла.

Так как в нашем случае термокапиллярная неустойчивость является конвективной (сносовой) [4], то в качестве другого характерного параметра морфологии кратера приняли пространственный инкремент неустойчивости. Данный параметр позволяет охарактеризовать степень проявления данной неустойчивости в за-

висимости от плотности мощности лазерного излучения (рис. 3).

Как видно из рис. 3, в диапазоне интенсивностей < ~3-105 Вт-см-2 пространственный инкремент практически постоянен, при незначительном превышении указанной интенсивности происходит резкое увеличение пространственного инкремента до значения ~ 0,03 мкм-1. Рост пространственного инкремента происходит в основном на периферии кратера, где еще происходит формирование волнового рельефа (рис. 2г). Рост пространственного инкремента, по-видимому, происходит в результате увеличения массопереноса из центральной части кратера в периферийную под действием избыточного давления продуктов горения мишени в момент лазерного воздействия.

Таким образом, при низких интенсивностях (1,30-105 Вт-см-2) формирования волнообразного рельефа не происходит. Резкий рост инкремента связан с увеличением массопереноса из центральной части кратера в периферийную под действием давления паров отдачи. При этом происходит увеличение глубины кратера, а также изменение кривизны поверхности с выпуклой формы на плоскую наклонную.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стали и сплавы. Марочник / под ред. В.Г. Сорокина. М., 2001.

608 с.

2. Федоров В.А., Кузнецов П.М., Яковлев А.В. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe-Si в зоне воздействия лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 2013. № 1. С. 24-28.

3. Han L., Liou F.W. Numerical investigation of the influence of laser beam mode on melt pool // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004. V. 47. P. 4385-4402.

4. Физическая энциклопедия: в 5 т. / под ред. А.М. Прохорова. М.: Сов. энциклопедия, 1988. Т. 3. С. 347-349.

5. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 539.3

DOI 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1080-1082

THE TOPOLOGY OF THE CRATER AFTER LASER IRRADIATION OF THE STEEL 40X13

© P.M. Kuznetsov, A.O. Zhigachev

Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: kuznetsovpm@list.ru

The morphology of the surface of the steel 40X13 under laser radiation is investigated. It is exhibited that at low intensities the formation of wavy - like relief is does not occur. The recoil vapor pressure is significantly at high intensities cause an increase depth of the crater, as well as change of curvature with a convex shape on cone-shaped.

Key words: combustion; melt; morphology; laser irradiation.

REFERENCES

1. Sorokin V.G. (ed.) Stali i splavy. Marochnik. Moscow, 2001. 608 p.

2. Fedorov V.A., Kuznetsov P.M., Yakovlev A.V. Formirovanie rel'efa na poverkhnosti splava Fe-Si v zone vozdeystviya lazernogo izlucheniya. Fizika i khimiya obrabotki materialov — Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2013, no. 1, pp. 24-28.

3. Han L., Liou F.W. Numerical investigation of the influence of laser beam mode on melt pool. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, vol. 47, pp. 4385-4402.

4. Prokhorov A.M. (ed.) Fizicheskaya entsiklopediya: v 5 t. Moscow, Sovetskaya entsiklopediya Publ., 1988, vol. 3, pp. 347-349.

5. Panchenko V.Ya. (ed.) Lazernye tekhnologii obrabotki materialov: sovremennye problemy fundamental'nykh issledovaniy i prikladnykh razrabotok. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 664 p.

Received 10 April 2016

Кузнецов Петр Михайлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: kuznetsovpm@list.ru

Kuznetsov Petr Mikhaylovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Assistant of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: kuznetsovpm@list.ru

Жигачев Андрей Олегович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: kuznetsovpm@list.ru

Zhigachev Andrey Olegovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: kuznetsovpm@list.ru