Laser melting problems with deformed substrates are investigated by axisymmetric numerical simulations. Source-based method is used to solve the energy equation, and the momentum equations are solved in the liquid domain with SIMPLER algorithm. Using a laser beam with a top-hat heat flux distribution, this study is performed to examine the effect of surface deformation, beam power density and surface tension force on the melt pool during laser melting. Surface temperature decreases with increasing surface deformation, while surface velocity increases. It is found that surface deformation, beam power density and surface tension force have a very significant effect on heat transfer and fluid flow during laser melting.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.1
s.232
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pp.1-8
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2005
Laser melting problems with deformed substrates are investigated by axisymmetric numerical simulations. Source-based method is used to solve the energy equation, and the momentum equations are solved in the liquid domain with SIMPLER algorithm. Using a laser beam with a top-hat heat flux distribution, this study is performed to examine the effect of surface deformation, beam power density and surface tension force on the molten pool during laser melting. Surface temperature decreases with increasing surface deformation, while surface velocity increases. It is found that surface deformation, beam power density and surface tension force have a very significant effect on heat transfer and fluid flow during laser melting.
Direct Laser Melting is a prototyping process whereby a 3-D part is built layer wise by melting the metal powder with laser scanning. This process is strongly influenced by the shielding gas and the laser operating parameters such as laser power, scan rate, layering thickness, and rescanning. The shielding gas is especially important in affecting the microstructure and mechanical properties. In the current study, fabrication experiments were conducted in order to analyze the effect of shielding gas on the forming characteristics of direct laser melting. Cylindrical parts were produced from a Fe-Ni-Cr powder with a 200W fiber laser. Surface quality, porosity and hardness as a function of the layering thickness and shield gas were evaluated. By decreasing the layering thickness, the surface quality improved and porosity decreased. The selection of which shield gas, Ar or $N_2$, to obtain better surface quality, lower porosity, and higher hardness was examined. The formability and mechanical properties with a $N_2$ atmosphere are better than those parts formed under an Ar atmosphere.
This study applied laser surface melting process using CW(Continuous wave) Yb:YAG laser and cold-work die steel SM45C and investigated microstructure and hardness. Laser beam speed, power and beam interval are fixed at 70 mm/sec, 2.8 kW and $800{\mu}m$ respectively. Depth of Hardening layer(Melting zone) was a minimum of 0.8 mm and a maximum of 1.0 mm that exceeds the limit of minimum depth 0.5 mm applying trimming die. In all weld zone, macrostructure was dendrite structure. At the dendrite boundary, Mn, Al, S and O was segregated and MnS and Al oxide existed. However, this inclusion didn't observe in the heat-affected zone (HAZ). As a result of interpreting phase transformation of binary diagram, MnS crystallizes from liquid. Also, it estimated that Al oxide forms by reacting with oxygen in the atmosphere. The hardness of the melting zone was from 650 Hv to 660 Hv regardless of the location that higher 60 Hv than the hardness of the HAZ that had maximum 600 Hv. In comparison with the size of microstructure using electron backscatter diffraction(EBSD), the size of microstructure in the melting zone was smaller than HAZ. Because it estimated that cooling rate of laser surface melting process is faster than water quenching.
Kim, Jeong-Min;Lee, Jae-Cheol;Kim, Il-Hyun;Kim, Hyun-Gil
Korean Journal of Materials Research
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v.27
no.10
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pp.563-568
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2017
In this study, the coating of an Al-Cr layer on the surface of a Zircaloy-4 alloy was carried out through plasma pretreatment coating and a laser surface melting process. Two different conditions for laser treatment, severe or minimal surface melting of the Zr alloy substrate, were applied to form the final coating. When there was significant surface melting of the Zr alloy, the solidification microstructure of the newly formed coating layer was mainly composed of needle-shaped $Al_3Zr$, Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases. On the other hand, the solidification microstructure of the coating layer was mainly composed of Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases when there was minimal surface melting of Zr base in the laser process. However, when the coating was maintained at $1100^{\circ}C$ for 2 hours, significant inter-diffusion occurred between the phases in the coating. As a result, the upper part of the coating layer was observed to mainly consist of $Al_3Zr$ and $Al_8Cr_5$ phases, regardless of the laser treatment conditions.
In this study, effect of laser power on hardness and microstructure of SKD61 Hot Die steel of which surface was melted and hardened with Yb:YAG disk laser was investigated. Beam speed was fixed at 70 mm/sec and distance between them was 0.8 mm about Laser surface melting. The only thing that was changed laser power. Laser powers were 2.0, 2.4 and 2.8 kW. No defect was found under all conditions. As the laser power increased, the penetration depth were deepened and the bead width was also widened. There was no hardness deviation of fusion zone at same laser power and it was higher than that of heat affected zone. In addition, the more laser power increased, the more hardness in fusion zone decreased. Fusion zone was macroscopically dendrite structure. However, core matric in dendrite was lath martensite of 100 nm size. There were $M_{23}C_6$ of 500 nm and the VC and $Mo_2C$ of a nano meters on boundary of dendrite.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.14
no.5
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pp.897-903
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2011
The objective of this study is to investigate the thermal behavior on material surface and the variation in the surface morphology of aluminum 6061 alloy by the Nd:YAG pulsed-laser irradiation. First, we predicted the surface temperature variation during pulsed-laser irradiation by using the two dimensional finite element analysis. When the pulsed-laser of 133 mJ energy and 5 ns pulse duration is irradiated on the surface of aluminum alloy, the material surface is thought to be melting because the surface temperature rises steadily up to about $660^{\circ}C$ exceeding the melting point. Also, the experimental results show that the solidification microstructure has been developed clearly after surface melting. Second, the diameter of melted zone was analysed by finite element analysis and measured by OM(Optical Microscopy). It increased logarithmically with increase in the number of laser irradiation. In addition, AFM(Atomic Force Microscopy) measurement showed an increase in the average surface roughness during pulsed-laser irradiation.
Direct laser melting(DLM) is promising as a joining method for producing parts for automobiles, aerospace, marine and medical applications. An advantageous characteristic of DLM is that it affects the parent metal very little. The mechanical properties of parts made by DLM are strongly affected by the porosity and surface roughness of the laser melted beads. This is a systematic study of the effects of the porosity and surface roughness of laser melted beads using various processing parameters, such as laser power, scan rate and overlapping ratio of the fill spacing. The specimens were fabricated with 316L and 304L austenitic stainless steel powder. Dense parts with low porosity were obtained at low laser scan speed, as it increased the aspect ratio of the parental material and the depth of penetration. The variations of surface roughness were examined at various processing parameters such as overlapping ratio and laser power.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1241-1248
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2012
The objective of this study is to evaluate the thermal damage characterization of a silicon wafer subjected to a CW laser beam. The variation in temperature and stress during laser beam irradiation has been predicted using a three-dimensional numerical model. The simulation results indicate that the specimen might crack when a 93-$W/cm^2$ laser beam is irradiated on the silicon wafer, and surface melting can occur when a 186-$W/cm^2$ laser beam is irradiated on the silicon wafer. In experiments, straight cracks in the [110] direction were observed for a laser irradiance exceeding 102 $W/cm^2$. Furthermore, surface melting was observed for a laser irradiance exceeding 140 $W/cm^2$. The irradiance for surface melting is less than that in the simulation results because multiple reflections and absorption of the laser beam might occur on the surface cracks, increasing the absorbance of the laser beam.
In this study, in order to analyze the low-temperature sintering process of silver and copper nanoparticles, we calculate their melting temperatures and surface melting temperatures with respect to particle size. For this calculation, we introduce the concept of mean-squared displacement of the atom proposed by Shi (1994). Using a parameter defined by the vibrational component of melting entropy, we readily obtained the surface and bulk melting temperatures of copper and silver nanoparticles. We also calculated the absorption cross-section of nanoparticles for variation in the wavelength of light. By using the calculated absorption cross-section of the nanoparticles at the melting temperature, we obtained the laser threshold energy for the sintering process with respect to particle size and wavelength of laser. We found that the absorption cross-section of silver nanoparticles has a resonant peak at a wavelength of close to 350 nm, yielding the lowest threshold energy. We calculated the intensity distribution around the nanoparticles using the finite-difference time-domain method and confirmed the resonant excitation of silver nanoparticles near the wavelength of the resonant peak.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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