Диссертация (1143290), страница 26

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 26)

В процессе исследования процессов лазерной обработкисапфира рассматривалась пластина со следующими габаритными размерами10 мм × 10 мм × 0.5 мм. Схема лазерной обработки сапфира и расчетная сетка образца в системе ANSYS показаны на рисунке 5.3.Рисунок 5.3 – Схема лазерной обработки сапфира и расчетная сетка образцаНа рисунке 5.4 приведено распределение температурного поля по сапфировой поверхности при средней мощности лазера 25 Вт, скорости 10 мм/с.Рисунок 5.4 – Распределение температурного поля по сапфировой поверхности при средней мощности лазера 25 Вт172На рисунке 5.5 представлены результаты расчета деформации (а) и термических напряжений (б) на поверхности сапфира, полученные математическим моделированием в системе ANSYS.а)б)Рисунок 5.5 – Результаты расчета деформаций (а) и термических напряжений(б) на поверхности сапфираВ результате исследований лазерной обработки структуры сапфира с применением лазерной установки (LIMO 100-532/1064-U, длина волны 1064 нм) проведены расчеты процесса обработки лазерным излучением сапфира с помощью системы ANSYS.

В результате расчетов получено, что при средней мощности лазерного излучения 25 Вт со скоростью луча лазера 10 мм/с максимальная температурана поверхности будет около 250°C, что является обеспечивающим условием длямаксимального отжига дефектов (удаление дислокаций и точечных дефектов, изменение приповерхностых слоев кристалла, восстановление регулярной кристаллической структуры). При данном режиме лазерной обработки сапфира максимальное термическое напряжение составляет порядка 100 МПа и деформация составляет порядка 0.16 мкм.Одной из задач данной диссертационной работы является создание физикотехнологических основ получения спая на основе сапфира для защитных покрытий. В качестве одного из компонентов для получения спая может быть выбраноборосиликатное стекло (B2O3 – SiO2 – R2O – RO), так как боросиликатное стекло173обладает высокой химической стойкостью (по ISO 719 – 1) и повышенной стойкостью к воздействию температуры (температура стеклования Tg 536 °C, температура плавления 1070 °C), радиационной стойкостью.

Оксид бора в данном типе стекла может применяться для легирования затравочного слоя или поглощающего слояпри производстве солнечных элементов [204, 208-209].Целью данного раздела работы является разработка на основе численных методов модели процессов лазерной обработки неорганического стекловидного диэлектрика, дающей возможность анализировать распределение температуры на поверхности заготовки при разной скорости сканирования луча лазера. Рассмотримпроцесс лазерной обработки поверхности боросиликатного стекла для улучшенияхарактеристик спая.Распределение температур на поверхности неорганического стекловидногодиэлектрика относится к одному из основных параметров в процессе лазерной обработки. Расчет тепловых процессов при обработке неорганического стекловидного диэлектрика проводился с использованием уравнения теплопроводности, поскольку оно дает возможность получить зависимости температуры от пространственных координат и от времени [210]:ρCTT   T    T    T =  λ +  λ +  λ +Q ,t x  x  y  y  z  z (5.1)где ρ – плотность; CT – удельная теплопроводность; t – время; λ – коэффициенттеплопроводности.Для расчета процесса распространения тепла следует помимо дифференциального уравнения теплопроводности определить краевые условия: начальное распределение температуры в теле (начальное условие) и условия теплового обменана границе тела (граничные условия).Начальное условие задается определением распределения температурывнутри материала в исходный момент времени t = 0: T(x, y, z, 0) = f(x, y, z).

Напрактике часто используют равномерное распределение начальной температурыT(x, y, z, 0) = T0.174На облучаемой поверхности неорганического стекловидного диэлектрика(при z = 0) действуют граничные условия третьего рода, характеризующие конвекционный теплообмен между поверхностью материала и окружающей средой [210]q0 =β T1 -T0  ,(5.2)где β – коэффициент конвекционной теплопередачи, определяющий интенсивностьтеплообмена между поверхностью стекла и окружающей средой; T1 – текущаятемпература; T0 – температура окружающей среды.Для численного решения задачи обработки боросиликатного стекла лучомлазера использовался тип анализа Transient Thermal, дающий возможность учестьхарактер изменения определяемых температурных характеристик во времени[206].

В процессе моделирования процессов лазерной обработки неорганическогостекловидного диэлектрика исследовалась пластина со следующими габаритнымиразмерами 10 мм × 10 мм.При влиянии на поверхность неорганического стекловидного диэлектрикачасть потока лазерного излучения будет отражаться от нее, а остальная часть проходить на глубину. Интенсивность теплового воздействия и теплофизическиесвойства материала влияют на процессы распространения теплоты [205].В таблице 5.2 представлены основные характеристики неорганическогостекловидного диэлектрика (боросиликатного стекла).При создании численной модели лазерной обработки неорганического стекловидного диэлектрика использовались следующие допущения:- материал относится к изотропному;- представление луча лазера в виде Гауссова распределения поля, котороесохраняется неизменным в пространстве по амплитуде и по фазе, в моде TEM00(продольная мода);- не учитывается эффект испарения материала;- процесс теплопередачи характеризуется только законами теплопроводностии конвекции.175Таблица 5.2 – Основные характеристики неорганического стекловидного диэлектрика (B2O3 – SiO2 – R2O – RO)Теплоемкость750 Дж/(кг∙0C)Коэффициент теплопроводности1.4 Вт/(м∙0C)Плотность2500 кг/м3Коэффициент линейного теплового расширения85 - 90∙10-7 К-1Температура плавления1070 0CК исходному этапу исследования распределения температур в процессе лазерной обработки неорганического стекловидного диэлектрика относится расчетинтенсивности мощности теплового источника.

При лазерной обработке материалов могут применяться различные формы распределения лазерного луча (Гауссовораспределение, прямоугольное). Гауссово распределение энергии относится кнаиболее предпочтительным способам лазерной обработки, так как для него свойственен маленький диаметр фокусирующего пятна, в результате чего достигаетсяболее высокая плотность мощности [211]. Интенсивность лазерного пучка представляет собой зависимость следующего вида [212]: x2 + y 2I(x, y)= I0 exp r2  ,(5.3)где I0 – интенсивность в центре гауссовского пучка, а r – начальный радиус гауссовского пучка, x и у – текущие координаты.Интенсивность мощности пучка лазера LIMO 100-532/1064-U в диапазоне от10 до 50 МВт/м2, падающего на поверхность исследуемого материала, представлена на рисунке 5.6.

Гауссово распределение луча лазера ведет к существенномуувеличению температуры в зоне влияния лазерного источника.176Рисунок 5.6 – Интенсивность мощности луча лазераРезультаты расчета интенсивности мощности лазерного луча позволили получить распределение температурного поля по поверхности боросиликатногостекла при средней мощности лазера в 25 Вт с длиной волны 532 нм и со скоростью 10 мм/с: а – через 0.1 с; б – через 0.5 с, в – через 1 с; г – через 5 с (риcунок5.7). На рисунке 5.7 представлены области термического воздействия лазерногоизлучения на поверхность неорганического стекловидного диэлектрика.

Определено, что температурный градиент уменьшается при перемещении луча лазера, абыстрое охлаждение боросиликатного стекла осуществляется за счет теплопроводности и конвекции.На риcунке 5.8 приведена зависимость температуры на поверхности неорганического стекловидного диэлектрика от времени при разной скорости сканирования луча лазера (5 мм/с, 10 мм/с, 20 мм/с, 30 мм/с, 50 мм/с), определено, какое количество времени требуется для процесса лазерной обработки и когда будет происходить охлаждение неорганического стекловидного диэлектрика.

На риcунке 5.9приведено влияние скорости сканирования луча лазера на максимальную температуру на поверхности стекла. С увеличением скорости перемещения луча лазерамаксимальная температура на поверхности боросиликатного стекла в процессе лазерной обработки уменьшается.177абвгРисунок 5.7 – Распределение температуры на поверхности неорганическогостекловидного диэлектрика при средней мощности лазерного излучения 25 Вт,скорость 10 мм/с: а – через 0.1 с; б – через 0.5 с, в – через 1 с; г – через 5с1400Температура, 0С120010005 мм/с10 мм/с20 мм/с30 мм/с50 мм/с80060040020000246Время, с810Рисунок 5.8 – Распределение температурного поля по поверхности стекла примощности лазера в 25 Вт со скоростями 5 мм/с, 10 мм/с, 20 мм/с, 30 мм/с , 50 мм/с1781400Температура, 0С1200100080060040020000102030Скорость, мм/с4050Рисунок 5.9 – Влияние скорости сканирования луча лазера на температуру наповерхности стеклаПроведен расчет деформаций и механических (термических) напряжений наповерхности неорганического стекловидного диэлектрика в процессе лазерной обработки.

Характеристики

Список файлов диссертации