V- лазерная термообработка; VI- лазерная сварка

 

Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом условно разделяется на следующие стадии (рис. 5.2):

– оптический пробой паров материала или окружающего газа и формирование плазменного факела с температурой до нескольких десятков тысяч градусов, собственное излучение которого может вносить основной вклад в нагрев материала;

– распространение лазерного излучения через плазму, сопровождающееся его поглощением, рефракцией и в конечном итоге трансформацией пространственно-временной структуры лазерного излучения, достигающего обрабатываемой поверхности;

– поглощение и частичное отражение лазерного излучения на поверхности обрабатываемого материала;

– нагревание материала, возникновение термоупругих и пластических деформаций материала давлением паров или плазмы оптического пробоя окружающего газа или жидкости;

– плавление материала на поверхности заготовки, сопровождающееся взаимодействием окружающего газа или паров жидкости и плазмы пробоя с расплавом материала, приводящее к насыщению расплава различными элементами и добавками;

– движение расплава под действием давления паров или плазмы оптического пробоя окружающего газа или жидкости и сил поверхностного натяжения, приводящее к его выплеску, переносу или конвективному перемешиванию;

– охлаждение и затвердевание расплава, сопровождающееся структурно-фазовыми и химическими превращениями, вплоть до образования аморфных структур на поверхности сплавов металлов при оплавлении их поверхности лазерными импульсами.

 

 

Рис. 5.2. Процессы, происходящие при лазерной обработке

 

Таким образом, лазерное излучение, падая на поверхность материала, частично отражается от нее, а частично проникает вглубь материала, поглощаясь в нем и нагревая его на глубине z поглощаемого слоя.

Поглощение лазерного излучения на поверхности материала, его нагрев и распространение тепла. В зависимости от материала заготовки механизмы поглощения света и перехода его в тепло за счет передачи энергии сильно различаются.

В металлах элементарными процессами, сопровождающими акты поглощения фотонов, являются электрон-фотонные n_э.ф взаимодействия с частотой 10⁴ - 10⁹ с^-1, электрон-электронные n_э.э =10¹⁴, электрон-ионные n_э.и=10¹¹ и ион-ионные n_и.и=10¹³с^-1. Таким образом, вначале разогреваются электроны проводимости (время разогрева t_э =1/n_э.э=10^-14 с), при этом температура решетки практически не изменяется. При значениях времени разогрева t > 10^-11с температуры электронного газа и решетки выравниваются, и с этого момента можно говорить об общей температуре металла. Скорость нагрева металла лимитируется только скоростью ввода энергии излучения n_эф.

В полупроводниках, в отличие от металлов, поглощение света определяется в основном связанными носителями. Сильно поглощать излучение на частоте будут лишь те полупроводники, в которых ( – ширина запрещенной зоны; - постоянная Планка). При валентные электроны будут переходить в зону проводимости в результате внутреннего фотоэффекта. Несмотря на процессы рекомбинации, через ~ 10^-9 … 10^-8 с, уже при плотности мощности > 10⁶ Вт/см² концентрация свободных носителей достигает величины 10²⁰ … 10²¹ см^-3 и механизмы передачи энергии становятся такими же, как у металлов.

В случае поглощение осуществляется существующими электронами проводимости, их постепенный разогрев приводит к дополнительной термической ионизации и появлению новых электронов в валентной зоне, вызывая самоускоряющийся процесс нагревания решетки. При механизм поглощения решеточный и эффективен лишь в дальней инфракрасной области (10…100 мкм).

В диэлектриках поглощение фотонов обусловлено лишь переходами из валентной зоны в зону проводимости (если лежит в ультрафиолетовой или в видимой области спектра), либо переходами между примесными уровнями и зоной проводимости, а также в результате решеточного поглощения (когда лежит в инфракрасной области).

При воздействии лазерного излучения на материал поглощательная способность не остается постоянной. Например, при облучении импульсным инфракрасным излучением наблюдается постепенное повышение поглощательной способности, что связано с образованием тонкой оксидной пленки на облучаемой поверхности.

Для повышения поглощательной способности поверхности используется:

– повышение исходной шероховатости поверхности;

– создание на поверхности тонкой пленки из неметалла;

– предварительное облучение поверхности лазерным лучом и т.д.

Интенсивность поглощенного излучения изменяется с глубиной в соответствии с законом Бугера: ,

где – интенсивность подводимого лазерного излучения к поверхности материала; – поглощательная способность материала; - коэффициент поглощения света в данной среде.

Поглощение энергии лазерного излучения и переход ее в тепловую энергию в поверхностном слое, происходящий практически мгновенно, приводят к резкому возрастанию температуры материала в зоне лазерного воздействия. В наиболее распространенном в практике лазерной обработки температурном диапазоне от сотен до нескольких тысяч градусов основной механизм передачи энергии от поверхности в глубь материала – электронная теплопроводность. Лучистой теплопроводностью обычно пренебрегают, так как она характерна для температур поверхностного слоя более 10000 ⁰С.

Для конкретных технологических операций используются: простой нагрев, плавление или испарение (см. рис.5.1).

Для определения установившейся (стационарной) температуры для сфокусированного пучка размером используется выражение:

,

где – электронная теплопроводность; – интенсивность (плотность) светового потока.

Для обработки материалов используется фокусировка светового пучка до размеров = 10…20 мкм. Глубина прогретого слоя . Из выражения для стационарной температуры определяется минимальное значение интенсивности поглощаемого света для нагрева этой области до температуры плавления Т = Т _п и в соответствии с этим выбираются режимы обработки.

Плавление и испарение. Для процесса нагрева поверхности без плавления и испарения интенсивность излучения должна быть меньше критической интенсивности , достаточной для достижения на поверхности заготовки температуры Т = Т_п.

Величина для конкретных материалов определяется коэффициентами температуропроводности и электронной теплопроводности и временем, необходимым для достижения на поверхности металла процесса плавления.

Плавление осуществляется при критических интенсивностях несколько меньших, но близких к интенсивностям, при которых достигается испарение поверхностных слоев материала . Интенсивность определяется теми же коэффициентами, что и , и временем, необходимым для нагрева поверхности металла до кипения. Критическая интенсивность излучения, необходимая для осуществления процесса испарения , определяется удельной теплотой испарения материала, длительностью импульса, при котором скорость испарения примерно соответствует скорости распространения тепла, и плотностью материала. Значения критических интенсивностей , и для ряда материалов приведены в табл. 5.1.

Охлаждение и затвердевание расплава, сопровождающееся структурно-фазовыми и химическими превращениями. Процесс лазерной обработки характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, что позволяет в ряде случаев значительно изменить кристаллическое строение обработанных поверхностей вплоть до получения аморфных слоев.

Температура охлаждения (для случая одномерной задачи) в любой точке на оси (ось направлена вглубь обрабатываемого образца) в различные моменты времени > может быть определена:

,

где – коэффициент температуропроводности; – коэффициент теплопроводности; – длительность импульса.

Таблица 5.1