Optimizacija procesa laserskega tvorjenja kapljice

T. Kokalj, E. Govekar, I. Grabec

Spajanje z lasersko tvorjenimi kapljicami

Nova tehnologija spajanja z vročimi kovinskimi kapljicami:

Pretaljena kovinska kapljica tvori spoj ali zapolni vrzeli v materialu

Ključni proces: lasersko tvorjenje kapljiciz žice majhnega premera

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

Optimizacija laserskega pulza za tvorjenje viseče kapljiceOsrednji 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

))(()(

TTt

TH

m

T

T

mp HTTdTTcTTH 0

')'()'()(

T ... temperaturaΔH(T) ... sprememba entalpijeλ(T) ... toplotna prevodnostρ(T) ... gostota c(T) ... specifična toplota T0 ... sobna temperaturaTm ... temperatura tališčaΔHm ... talilna entalpija[T>Tm] ... stopničasta funckija

Enačbo lahko rešujemo numerično!

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.

Napoved temperaturnega polja

NUMERIČNI MODEL OMOGOČA IZRAČUN TEMPERATURNEGA POLJA PRI RAZLIČNIH

PROCESNIH PARAMETRIH!

Določitev laserskega pulzaNUMERIČNI MODEL

+OPTIMIZACIJSKI KRITERIJ

ČASOVNI POTEK MOČI LASERSKEGA PULZA in DELEŽ PRETALJENEGA MATERIALA

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.

Eksperimenti

Napravili smo poskuse s teoretično določenim laserskim pulzom pri izbrani hitrosti pomikanja žice, za primerjavo pa še s tremi hevrističnimi

pulzi enake energije.

Laserski pulzi uporabljeni v eksperimentih in pripadajoče hitrosti pomikanja žice

Rezultati

Najbolj primerne viseče kapljice dobimo pri uporabi teoretično določenega laserskega pulza.

KONSTANTNIPULZ

NARAŠČAJOČIPULZ

PADAJOČIPULZ

TEORETIČNO DOLOČENI PULZ

ZAKLJUČEKFIZIKALNO MODELIRANJE JE USPEŠEN

PRISTOP K ISKANJU PRIMERNIH PROCESNIH PARAMETROV IN OPTIMIRANJU PROCESA

LASERSKEGA TVORJENJA KAPLJIC

Kontakt: Tadej Kokalj Aškerčeva 6; SI 1000 Ljubljana Fakulteta za strojništvo Telefon: +386 1 4771 130

Laboratorij za sinergetiko e-mail: tadej.kokalj@fs.uni-lj.si

Fizika - priložnost za slovensko gospodarstvo

IR POSNETEKVISEČE KAPLJICE

IR POSNETEKODLETELEKAPLJICE

SPOJ

Podajalnikžice

Kapljica

Laserskižarki

Dovod zaščitnegaplina

Razvoj temperaturnega polja pri enakomerno pospešeni žici. Rdeča puščica prikazuje položaj laserskega žarka.

Univerza v LjubljaniFakulteta za strojništvo

LASINLaboratorij za sinergetiko