• Важнейшие научные достижения Лаборатории №3 По проекту III.18.3.1 «Разработка физических основ теории взаимодействия лазерного излучения с веществом для создания новых высокоэффективных технологий»
Впервые найдены законы подобия и безразмерные критические параметра,определяющие шероховатость поверхности резки низко углеродистой стали газовым СО2 лазером с длиной волны 10,6 мкм и твердотельным волоконным лазером с длиной волны 1,06 мкм. На рисунке представлены данные экспериментов, являющиеся обобщением результатов оптимизации по трем параметрам: скорости резки, положения фокуса относительно поверхности (фактически – ширины реза) и мощности. Показана зависимость шероховатости поверхности 01.jpg от безразмерных параметров: числа Пекле 02.jpg и мощности от 03.jpg Установлен удивительный факт: для двух типов лазеров с длинами волн, отличающиеся в 10 раз, условия резки с минимальной шероховатостью выражаются одинаковым образом: 04.jpg Таким образом, доказано преобладание влияния газодинамических процессов течения многофазной жидкости по сравнению с процессами взаимодействия излучения с веществом на качество лазерного реза. Результаты используются при создании технологических карт лазерного раскроя. 
05.jpg
Ответственные исполнители:
д.ф.-м.н., профессор Оришич А.М
д.т.н., снс Шулятьев В.Б.
  • Важнейшие научные достижения Лаборатории №3 по проекту III.18.3.1 «Разработка физических основ теории взаимодействия лазерного излучения с веществом для создания новых высокоэффективных технологий»
  1. Впервые для оптического пульсирующего разряда (ОПР) оптическим методом (рис.1) зарегистрированы устойчивые дискретные объекты – высоко температурные каверны низкой плотности, двигающиеся вместе со сверх звуковым потоком воздуха (рис.2, 3)
  2. Измерены скорости теплового следа, возникающего от воздействия ОПР в сверхзвуковом потоке.
  3. Впервые реализовано объединение каверн на частотах 150 кГц работы импульсно периодического лазера и формирования единой плазменной струи, что открывает перспективы управления течением при обтекании летательного аппарата, двигающегося со сверхзвуковой скоростью.
06.jpg
Ответственные исполнители:
д.ф.-м.н., профессор Оришич А.М. тел. (8-383)-3307-342, e-mail: laser@itam.nsc.ru
к.т.н., снс Малов А.Н. тел. (8-383)-3307-342, e-mail: malex@itam.nsc.ru 
  • Важнейшие достижения Института теоретической и прикладной механики СО РАН В 2013 году по ПО ПАРТНЕРСКОМУ ИНТЕГРАЦИОННОМУ ПРОЕКТУ № 04
«Создание научно - технологических основ применения лазерного излучения при сварке разнородных металлов и сплавов» Проведено экспериментальное исследование СО2 – лазерной сварки разнородных, не свариваемых стандартными методами, металлов: нержавеющей стали 12ХН10Т с титановым сплавом ВТ 1-0 с использованием композитной вставки, полученной сваркой взрывом четырех пластин: сталь (12ХН10Т) – тантал(ТВЧ) – медь (М1) - титан (ВТ 1- 0. Выполнены металлографические и спектрографические исследования структуры соединения, а также испытания механических свойств соединения. Установлено, что прочность (ϬB) такого соединения порядка прочности титанового сплава и составляет 417 МПа. Научная новизна результатов обусловлена уже тем, что полученные данные по прочности неразъемных соединений не имеют аналогов в мировой и отечественной науке.
07.jpg
  • Важнейшие научные достижения Лаборатории №3 по проекту III.18.3.1 «Разработка физических основ теории взаимодействия лазерного излучения с веществом для создания новых высокоэффективных технологий»
Создан импульсно-периодический СО2 лазер на высокую (>100 кГц) частоту следования импульсов. Полученная на этом лазере частота следования импульсов генерации 150 кГц – в настоящее время самая высокая частота для мощного СО2 лазера с конвективным охлаждением рабочего газа с механической модуляцией добротности. Внешний вид системы модуляции приведен на рис.1. На рис.2,3 приведены результаты измерения генерационных характеристик (средней и импульсной мощности) лазера. Экспериментально показано, что данная частота характеризует предельные характеристики СО2-лазера с конвективным охлаждением рабочей среды. Лазер с такой частотой следования импульсов использован для получения квазистационарного оптического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. На рис. 4 приведен внешний вид такого разряда. 
08.jpg
  • Важнейший результат по проекту НИР III.16.3.1
Обоснована количественная оценка максимальной толщины листа, при условии минимальной шероховатости. Авторы А.М. Оришич, В.Б. Шулятьев, А.Г. Маликов Было продемонстрировано, что для достижения минимальном шероховатости поверхности реза, число Пекле должно сохраняться, однако при этом необходимо снижать скорость резки по закону: 09.jpg, где vopt (mm/s) и толщина листа - t (мм): Известно, что при низкой скорости резки возникает горение железа в кислороде и шероховатость поверхности резко ухудшается. Критическая скорость, при которой возникает горение - vc составляет 0.4 м./минуты, или 6.7 mm/s. Чтобы получить высокое качество резки с низкой шероховатостью, должно выполняться условие vopt> vc . Данное условие определяет максимальную толщину стального листа, которую можно разрезать с минимальной шероховатостью – это 40-50 мм. 
10.jpg
  • Важнейшие достижения Института теоретической и прикладной механики СО РАН в 2012 году партнерскому проекту ИТПМ СО РАН-УРО РАН «Создание научно - технологических основ применения лазерного излучения при сварке разнородных металлов и сплавов»
Сварное соединение «титан – медь – сталь 12Х18Н10Т
На рисунке представлена микроструктура различных участков сварного шва «титан – медь – сталь 12Х18Н10Т».  
11.jpg
В центральной части наплавленного металла его микроструктура представляет композиционный материал, состоящий из медной матрицы и пластинчатых выделений (рис. 1.2 а). В корневой части сварного соединения упрочняющие частицы представлены в двух морфологических формах: пластинчатые и округлые выделения (рис. 1.2 б). Данный композиционный материал имеет повышенный уровень микротвердости по сравнению с титановым сплавом и сталью 12Х18Н10Т (рис. 1.2 б). Значительный разброс в значениях микротвердости в области сварного шва связан, по- видимому, с резким различием в твердостях структурных элементов составляющих композиционный материала.
Со стороны титанового сплава между основным металлом и наплавленным композиционным материалов явно просматривается промежуточный слой толщиной 100…150 мкм (рис. 1.2 в), который имеет повышенный уровень микротвердости (4500 МПа), рис. 2б. Со стороны нержавеющей аустенитной стали просматривается тонкий (2…5 мкм) промежуточный слой на котором со стороны наплавленного металла видны «выпучены», (рис. 1.2 г). Внутри данных «выпучен» хорошо просматриваются отдельные округлые включения меди. Данные «выпучены» в ходе процесса сварки растворяются в жидкометаллической ванне, образуя пластинчатые выделения, либо отрываются от границы как целое, формирую округлые выделения (рис. 4г). Оба промежуточных слоя в области формирования корня шва имеют грибообразную форму (рис. 1.2 д,е). 
Согласно данным рентгеноструктурного анализа фазовый состав наплавленного композиционного металла содержит: α-фазу (Ti), имеющую гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку с параметрами а = 0,29269 нм и с = 0,46343 нм; медь с параметром решетки а = 0,36216 нм; α- и γ- твердые растворы на основе железа. Размер областей когерентного рассеяния для α - титана уменьшается в два раза по сравнению с исходным состоянием, а уровень микроискажений кристаллической решетки увеличивается в 2,5 раза (ε = 4,0*103). Уменьшение размера кристаллитов и рост микроискажений, вероятнее всего, связан с быстрой кристаллизацией наплавляемого металла. Количество соответствующих фаз равно: α - титан – 2,3%; медь – 30,6%; γ- твердый раствор – 8%; α-твердый раствор – 59% (объем). Следовательно, в ходе сварки происходит значительное растворение аустенитной стали в жидкометаллической медной матрице, перераспределение легирующих элементов по сравнению с исходным материалом (рис. 1.35 и таблица 1 (точки 1, 2, 4, 6, 7)) с последующей быстрой ее кристаллизацией и охлаждением. Это приводит к закалке α-твердого раствора и, следовательно, к повышению уровня твердости (рис.1.3 б). 
  • Важнейшие достижения по программе НИР Института теоретической и прикладной механики СО РАН в 2011 году
Распределение коэффициента поглощения вдоль сверхзвуковой струи воздуха
  1. Впервые измерен коэффициент поглощения лазерного излучения в плазме оптического пробоя при сверхзвукового потоке воздуха в широком диапазоне газодинамических параметров. Максимальная величина коэффициента поглощения составила 60 %. Результаты работы позволяют определить параметры сверхзвукового течения, обеспечивающего высокие уровни энерговклада в поток и, как следствие, возможность управления структурой такого потока
  2. Впервые показано, что пороговая плотность воздуха в сверхзвуковом потоке, соответствующая резкому нарастанию эффективности поглощения, равна 1,8-2 кг/м3.
12.jpg
ИТПМ СО РАН Т/Ф 3307-342 E – mail malex@itam.nsc.ru Малов Алексей Николаевич