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Reinhart Poprawe 教授

激光技术研究院主席

亚琛工业大学

在激光材料加工中 通常我们拥有所有物质状态 如 固体 液体 气体

在这节课中 我们将更仔细地研究物质的液相

特别是这种液体物质的动力学

所以 为了更详细地说明一下 这节课我们就用一个例子来解释

焊接过程 是一种周期性的熔体振荡

然后我们来看看马朗戈尼对流

我给大家看一个实验 然后我们再看一下这个理论

我们该如何描述这一切的

但这是非常基本的 非常浅显的 所以我只是稍微提一下

我们马上会讲到一些在抛光玻璃和聚合物

或是熔池中孔洞形成的应用

所以在此推动下 大家看到了这张融化池的图片

这是深熔焊缝的钥匙孔 想象激光从顶部射出来

在后面 大家已经看到熔体变成一个小液滴

如果我们开始这个慢动作视频

大家可以看到 如何在一定时间间隔内除去熔体

因此 如果大家看到后面的重铸

大家会看到一个周期性的重铸 一个波状结构 我们称之为驼峰

这些熔体动力学从何而来?

在右边的图片中 大家可以看到焊接过程中的一般情况

在这种情况下 没有小孔焊接 我们只有热传导焊接

所以在这个非常薄的表面 吸收激光辐射

然后通过热传导 热量渗透到表面 形成一个熔池

虚线代表熔化池

这是固体材料

通常是一阶的 这与激光的强度分布无关

加工区的中心温度最高

这很简单 因为热传导到边缘

所以 温度会从熔体中心向周围下降

通常如果我们考虑熔池的表面张力

随着温度的升高 表面张力会下降

温度越高 表面张力越小

换句话说 温度在池边会下降

当我们接近熔池边缘时 会导致表面张力增加

在方程中 这是在图的左边画的

大家可以看到 表面张力的导数包含两个相关项

一个是恒定浓度下的温度相关性

另一个是恒定温度下的浓度相关性

我们有两个偏导数

因为我们有两个相关项 温度和浓度

通常是σ除以dT 是负的

换句话说 表面张力会随着温度的降低而增加

我马上给大家看一个实验 我先给大家看一下这个实验的结果

因为大家很快就能看到

现在我们有一个装满水的玻璃碗

我倒了一些胡椒粉在水的表面 在这里大家可以看到一个小黑点

然后我们取一小滴松节油 涂上红色

为了更好地了解发生了什么

当然松节油的表面张力要比水的表面张力小得多

所以当松节油一沉积在水面上时

它的表面能就会更小

而且外面的张力会比我们用松节油润滑的地方高

换句话说 表面张力会向碗的边缘倾斜

因此 只要我们让这滴液体落到表面

它会散开 就像大家在右边看到的那样 它会收集所有的胡椒颗粒

红色松脂滴在表面上打破这种局面

并将所有胡椒颗粒推向玻璃杯边缘

因此 这是一个非常激烈的过程

表面张力的小梯度已经导致相当大的力量推动融化

正如我描述的 我首先在这碗水里倒一些胡椒

大家可以看到它的表面

大家可以看到辣椒在水中的分布

现在拿一点带颜色的松节油 现在是3 2 1 0

因此 如果画出表面张力除以温度的示意图

通常 我们会有一个负梯度

所以温度越低 表面张力越大

但是 如果我们改变浓度和化学过程

例如 在铁合金中加入一些硫

可能会引起方向的改变

在右边 大家们又看到了表面张力的表达式

作为浓度的函数 以及表面张力的温度和典型值

这是5X10-1牛顿/米 再加上温度

现在 这对实践有什么意义呢？

在右边 大家可以看到一个热传导焊缝的横截面

所以 辐射只被表面吸收

我们用三维传热的典型球面方式进行了热穿透

如大家所见 这就是熔化池

现在如果大家看一下熔化池 我们会看到两个循环凝固的熔化运动

左图解释了它们的起源

正如我之前告诉大家的 在熔体中心 这个温度是最高的

表面张力会随温度的降低而增大

这会导致表面颗粒向熔池边缘移动

当然 结果是 如果有向边缘的通量

我们需要补偿密度的变化

除了这个结果 还有一个熔体上游

最后 关闭沿熔池边缘的回路

会有一个融化下降 它会向下流动

所以我们会有一个圆周运动 这是左右对称的

这是由于热和能量沉积的对称性

这就是圆运动形成的原因

这就是为什么这里有熔体的圆周运动

在这个截面上凝固

看看熔体流动的基本原理

当然我们可以从最基本的运动方程开始

在这种情况下 质量是守恒的

所以 系统的质量没有变化

然而 密度变化了

这可以通过质量的局部变化来实现

或者我们有一个局部质量通量

如果我们看一下动量 通常动量不守恒

至少在有外力的情况下不会守恒

但是对应的时间动量变化应该相等

它必须等于我们施加的外力

在这个较简单的例子中 这是一个不可思议的牛顿流体

这些方程可以简化如下

所以速度的散度是零

每体积的惯量可以表示为三项之和

一个是压强梯度

一个是由摩擦引起的动量扩散

另一个是由单个体积中的物体力引起的

所有这些方程都很复杂

只有在非常特殊的情况下 才能将它们解析出来

所以人们通常做的是选取方程 选取边界条件

把它放到电脑上 就能得到关于熔体行为的漂亮的彩色图片

它描述得非常完整 非常好

举一个例子 我选择了两种熔体形成起主导作用的情况

在这种情况下 大家可以看到一个多边形省略磁盘的抛光

这是一个塑料圆盘 没有刻度 直径3厘米

在左边 大家可以看到它磨碎后的结果

所以当它生产出来的时候

它的典型粗糙度值RA在100到150纳米之间

现在如果我们在这种情况下用线性强度分布的二氧化碳激光辐射打磨它

观察CO2激光器的线强分布 并完善工艺参数

我们可以把表面粗糙度降低到10纳米以下

在理想情况下 在玻璃中 我们可以把它降到约1纳米 甚至更低

现在我们从右边开始这个过程

大家看到一个聚发射聚合物圆盘 直径大约2到3厘米

然后在这个表面上 用一束强度呈线分布的二氧化碳激光扫描那个表面

它会从顶部开始移动到底部

大家可以实时看到这就是抛光过程的处理速度

它的接触非常精确

导致表面粗糙度RA值只有几个纳米大小

另一个例子是熔池中孔隙的形成

在这个草图中 大家可以看到一个深熔焊缝的俯视图

这种深熔焊缝的结果是

蓝色部分这里是一个熔池 现在如果大家看这个方向上的力

在开始的时候 当顶部钥匙孔击中那非常 非常薄的熔化壁

然后就会形成周期性地熔体

并向左右方向挤压出前面的区域

因此 最后 大家可以看到熔体的周期运动

沿着极限 沿着液体和蒸汽的边界条件

最后 当它们在毛细血管的背面相遇时 就可能发生这种情况

气孔分离 这部分气体冻结在焊缝中形成气孔

在这节课的最后 我们学习了熔体动力学 驱动因素 力

熔体的加速 摩擦和由此产生的熔体再凝固

在波浪结构方面 如焊接中的驼峰 或深熔焊接中的气孔

如果大家能定量地了解这些影响 并能把它们

与激光参数 强度 时间 光束分布联系起来

然后我们可以在熔体主导的过程中 形成最终的精确结构