Darbeli laser-Metal etkileşimi sırasında malzemedeki sıcaklık dağılımının kinetik teori yardımıyla analizi

Abstract

Teknolojinin hızlı gelişmesiyle birlikte Laserin imalat sanayiinde kullanımı düşük maliyet ve yüksek hassasiyetten dolayı çok önemli bir yer oluşturmuştur. Laserin imalat sanayisinde kullanılmaya başlanması nedeniyle Laser metal etkileşimi sırasında oluşan ısı transferi malzemenin bilinçli işlenmesi açısından son derece önem kazanmaktadır. Yapılan bu çalışmada Darbeli Laserle metalin işlenmesi esnasındaki ısı transferi, üç farklı darbe şekli ve dört ayrı malzemede, elektron kinetik teori modeli kullanılarak incelenmiş ve sonlu farklar metodu ile nümerik çözümleri yapılmıştır. Isı transfer modelinde, iletim ve ergimeden sonra konveksiyonla ısı transferi de göz önüne alınarak, malzeme derinliği boyunca değişik zamanlardaki sıcaklık dağılımı incelenmiştir. Bu çalışmada malzemenin darbeli laser ile işlenmesi esnasında meydana gelen ısı transfer olayları literatürde verilen üç ayrı darbe için incelenmiş ve sonlu farklar metodu kullanılarak nümerik çözümler yapılmıştır. İlk olarak ısı iletim problemi ele alınıp ergime sıcaklığına kadar malzeme içerisindeki sıcaklık dağılımı için elektron kinetik teori modeli uygulanarak çözüm yapılmıştır. Malzeme ergime sıcaklığına ulaştıktan sonra, taşımınla ısı transferi de başladığından ısı iletimi ve ısı taşımını birlikte ele alınıp elektron kinetik teori modeli kullanılarak çözüm yapılmıştır. Her üç darbede de zamana ve faz dönüşümlerine bağlı olarak sıcaklık dağılımlarının malzeme derinliğine göre değişimi incelenmiştir. Kullanılan üç darbenin toplam güç yoğunlukları 428517 J/m2 de sabit tutularak Çelik, Nikel, Tantalum, ve Titanyum olmak üzere dört farklı malzemede yüzeye dik doğrultuda, tek boyutlu ve zamana bağlı sıcaklık dağılımlarının malzemelerin termodinamik özelliklerine bağlı olarak değişimleri hesaplanmış, gerekli grafikler çizilmiş ve birbirleriyle mukayeseleri yapılmıştır. Nümerik çözümler yazılan bir bilgisayar programı ile yapılmıştır. 2000, 81 sayfaAnahtar kelimeler: Laser enerjisi, Laser-metal etkileşimi, kinetik teori, sıcaklık dağılımı ve darbeli laser

With the rapid advances in the related technologies, Laser material processing techniques are proving to be very important due to their low-cost and precision processing features. Because of their wide use in manufacturing industry, heat transfer and material behavior in laser processing becomes an important issue that determines the overall process performance. In this work, as a part of the research in understanding the underlying principles of heat transfer and metal behavior under a laser beam, there different laser stroke types have been tested on four different materials for which kinetic theory is used to understand the underlying principles. As a result, numerical solutions are provided which use finite elements as the numerical solution method. In the heat transfer model, conduction and convection, which occur after the melting point, techniques are used to determine the temperature distribution within depth of the material being processed. ' In this work, heat transfer mechanism has been studied for the three different stroked laser beam types given in the literature and as a result numerical solution are provided using finite elements numerical solutions technique. Firstly, the heat transfer problem is tackled and solutions are provided for the processed material being below melting point. After the melting point, in addition to the conduction, convection heat transfer mechanism becomes a part of the process and the presented work uses kinetic theory to model and to provide solution for the problem. For the three types of laser beam specification chosen, the temperature distribution in the four different materials is investigated. The power rating for all three stroked laser beams is kept constant at 4285 17 J/m2 and solutions are carried out on four different materials, steel, nickel, tantalum and titanium. One-dimensional and time- dependant temperature distribution for each material and for each beam type is calculated and related graphics are generated and comparisons are made. The numerical solutions of the complex differential equations are achieved using a software that uses finite elements as the numerical solution method. 2000, 81 pagesKey Words: Laser energy, Laser-material interaction, kinetic theory, temperature distribution and stroked laser