Darbeli Laser-Malzeme Etkileşimi Sırasında Malzemedeki Sıcaklık Dağılımının Yarı Kinetik Teori ile Analizi

Abstract

Günümüzde teknolojinin gelişimi ile imalat sanayisinde laserin kullanımı, düşük maliyet ve yüksek hassasiyetten dolayı önem kazanmaktadır. Laser-metal etkileşimi sırasında malzemeye olan ısı transferi ve sıcaklık dağılımı metal şekillendirmede büyük bir önem arz etmektedir. Bu çalışmada 1.1010 W/m2 ve 5.1010 W/m2 gücündeki darbeli laser ile dört farklı malzemenin (çelik, nikel, tantal ve titanyum) etkileşimi sırasında malzeme yüzeyinde ve malzeme içerisindeki sıcaklık dağılımı zamana bağlı olarak incelenmiştir. Laser-metal etkileşimi sırasında, birinci aşamada ısı iletimi esas alınmış ve buna bağlı olarak elektron kinetik teori modeli ile malzeme ergime sıcaklığına ulaşana kadar çözüm yapılmıştır. İkinci aşamada malzeme ergime sıcaklığına ulaştıktan sonra taşınımla olan ısı transferi klasik metotla ve iletimle olan ısı transferi kinetik teori yaklaşımıyla birlikte (yarı klasik teori) ele alınarak çözüm yapılmıştır. Malzeme içerisindeki ve yüzeyindeki sıcaklık dağılımlarının malzeme termodinamik özellikleriyle değişimini belirlemek gayesiyle dört farklı malzeme incelenmiş ve elde edilen sıcaklık dağılımları birbiriyle kıyaslanmıştır. Nümerik çözümler için bir bilgisayar programı geliştirilmiştir.

Nowadays, with the development of technology, the use of laser in the manufacturing industry is gaining importance because of its low cost and high precision. During the laser-metal interaction, heat transfer to the material and temperature distribution on the material are of great importance in metal forming. In this study, the time depended temperature distribution on the material surface and within the material were examined for interaction of the 1.1010 W/m2 and 5.1010 W/m2 power pulsed lasers with four different materials (steel, nickel, tantalum and titanyum). During laser-metal interaction, in the first step, heat transfer was considered and the analysis was made until the material reaches melting temperature with electron kinetic theory model. In the second step, after the material reached melting temperature, heat transfer by convection was analysed by classical method and heat transfer by conduction was analysed by heat transfer kinetic theory approach (semi-classical theory). In order to determine the variation of temperature distributions within material and material surface depending on material thermodynamic properties, four different materials were examined and the obtained temperature distributions were compared with each other. A computer program was developed for numerical solutions.