Optimizacija procesa laserskega tvorjenja kapljice T. Kokalj, E. Govekar, I. Grabec

1. Podajalnik žice Dovod zaščitnega plina Laserski žarki Kapljica Izbira optimizacijskega kriterija Možnost simulacije procesa pri različnih procesnih parametrih nam omogoča optimizacijo v skladu z izbranim optimizacijskim kriterijem. OPTIMIZACIJSKI KRITERIJ Tmax < Tvrel NAJVIŠJA TEMPERATURA(Tmax) NA ŽICI JE NIŽJA OD TEMPERATURE VRELIŠČA(Tvrel) Ne dovolimo izparevanja, ki je vzrok nekaterim nezaželenim pojavom, ki spremljajo proces. Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Fizika - priložnost za slovensko gospodarstvo LASIN Laboratorij za sinergetiko • Prednosti: • odpornost spoja na visoke temperature • ekološko sprejemljivejši materiali (ne • vsbujejo svinca) • možnost spajanja različnih materialov • dobra mehanska trdnost spoja • uporaba enega laserskega izvora na več • delovnih postajah • dobra kontrola vnosa energije in majhna • toplotna obrementitev okolice in substrata IR POSNETEK VISEČE KAPLJICE Optimizacija procesa laserskega tvorjenja kapljiceT. Kokalj, E. Govekar, I. Grabec Nova tehnologija spajanja z vročimi kovinskimi kapljicami: Pretaljena kovinska kapljica tvori spoj ali zapolni vrzeli v materialu Ključni proces: lasersko tvorjenje kapljic iz žice majhnega premera IR POSNETEK ODLETELE KAPLJICE SPOJ Optimizacija laserskega pulza za tvorjenje viseče kapljice Osrednji proces v tehnologiji spajanja s kovinskimi kapljicami je lasersko tvorjenje kapljice. Proces je odvisen od velikega števila procesnih parametrov in ga včasih spremljajo nezaželeni stranski pojavi: izbrizgi kovine na substratu, radialni raztros. Glavna kontrolna parametra procesa za tvorjenje kapljice z željenimi lastnostmi sta: časovni potek moči laserskega pulza in hitrost podajanja žice. Ustrezne vrednosti teh parametrov smo poiskali s teoretično in eksperimentalno analizo. Obravnavo procesa smo razdelili na dva dela: tvorjenje pretaljene viseče kapljice in ločitev kapljice. Za analizo procesa tvorjenja viseče kapljice smo zgradili fizikalni in numerični model procesa, ki nam omogoča simulacijo procesa pri različnih procesnih parametrih. S pomočjo modela smo pri vnaprej izbrani hitrosti podajanja žice in izbranem optimizacijskem kriteriju določili optimalni časovni potek moči laserskega pulza. Za primerjavo smo izvedli eksperimente, kjer smo primerjali teoretično določeni optimalni pulz za tvorjenje kapljice z nekaterimi hevrističnimi pulzi enake energije. Na osnovi vizualne primerjave nastalih visečih kapljic se teoretično določeni pulz izkaže kot najprimernejši. Osnovne enačbe Napoved temperaturnega polja NUMERIČNI MODEL OMOGOČA IZRAČUN TEMPERATURNEGA POLJA PRI RAZLIČNIH PROCESNIH PARAMETRIH! Spajanje z lasersko tvorjenimi kapljicami T ... temperatura ΔH(T) ... sprememba entalpije λ(T) ... toplotna prevodnost ρ(T) ... gostota c(T) ... specifična toplota T0 ... sobna temperatura Tm... temperatura tališča ΔHm ... talilna entalpija [T>Tm] ... stopničasta funckija Razvoj temperaturnega polja pri enakomerno pospešeni žici. Rdeča puščica prikazuje položaj laserskega žarka. Enačbo lahko rešujemo numerično! Rezultati Določitev laserskega pulza Eksperimenti NUMERIČNI MODEL + OPTIMIZACIJSKI KRITERIJ ČASOVNI POTEK MOČI LASERSKEGA PULZA in DELEŽ PRETALJENEGA MATERIALA Napravili smo poskuse s teoretično določenim laserskim pulzom pri izbrani hitrosti pomikanja žice, za primerjavo pa še s tremi hevrističnimi pulzi enake energije. KONSTANTNI PULZ NARAŠČAJOČI PULZ PADAJOČI PULZ TEORETIČNO DOLOČENI PULZ Najbolj primerne viseče kapljice dobimo pri uporabi teoretično določenega laserskega pulza. ZAKLJUČEK FIZIKALNO MODELIRANJE JE USPEŠEN PRISTOP K ISKANJU PRIMERNIH PROCESNIH PARAMETROV IN OPTIMIRANJU PROCESA LASERSKEGA TVORJENJA KAPLJIC Časovni potek moči laserskega pulza smo izračunali pri več različnih hitrostih podajanja žice. Laserski pulz in pripadajočo hitrost podajanja, pri katerih je bil delež pretaljenega materiala največji, smo uporabili v eksperimentih. Laserski pulzi uporabljeni v eksperimentih in pripadajoče hitrosti pomikanja žice Kontakt: Tadej Kokalj Aškerčeva 6; SI 1000 Ljubljana Fakulteta za strojništvo Telefon: +386 14771 130 Laboratorij za sinergetiko e-mail: tadej.kokalj@fs.uni-lj.si