Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность твердых тел

1.2 Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность твердых тел.

Поглощение и отражение лазерного излучения. В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения непрозрачными твердыми телами.

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1- 1 мкм, эти электроны переходят в состояния с более высокими уровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или узлами кристаллической решетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Поэтому, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы термического воздействия на металл, это дает возможность пользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяется значением коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинны волны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности на длине волны лазерного излучения l = 10,6 мкм определяется уравнением: a = 112,2 (s₀^-1)^-1/2, где a - коэффициент поглощения; s₀- удельная электрическая проводимость металла по постоянному току, См/м.

Это выражение применимо для коэффициентов поглощения чистых, полированных поверхностей. Для материала с неочищенной, неполированною поверхностью ( материала поставки ) коэффициент поглощения зависит от состояния поверхности и может значительно превышать для чистых металлов ( табл. 1.1 ).

Таблица 1.1 Коэффициенты поглощения различных материалов a, для излучения l = 10,6 мкм, % .[2]

Материал	Поверхность в состоянии поставки	Полирован-ная поверхность
Нержавеющая сталь	39	9
Алюминий	12	2
Медь	12	2
Низкоуглеродистая сталь	85	48
Серебро	___	11

Рис.1.1 Зависимость

коэффициента пог-

лощения излучения СО₂ - лазера от

температуры для

различных материалов

[2]

При нагревании образца электрическая проводимость металлов уменьшается, соответственно возрастают коэффициенты поглощения. Если лазерная обработка поверхности происходит в воздушной или какой-либо окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности образца и происходит дополнительное увеличение поглощательной способности ( рис. 1.1 ) [2].

Рис. 1.2 Характерные кривые нагрева в воздухе термически тонких мишеней непрерывным излучением СО₂ - лазера при q = 4,7· 10⁶ Вт/см² и соответствующие кривые коэффициента эффективного поглощенияa_{эф [2]: а - дюралюминий ;}

_{б - сталь.}

По мере роста оксидной пленки на поверхности железа коэффициент отражения периодически уменьшается, когда толщина пленки становится кратной половине длинны волны света. Таким образом a_эф испытывает изменения во времени ( рис. 1.2 б ). Эффективный коэффициент поглощения железа может быть на порядок выше, чем тот же коэффициент для чистой поверхности.

Оксидная пленки на поверхности алюминия термически прочная, T_плвыше 2000⁰С и ее толщина при нагревании не изменяется и коэффициент поглощения остается практически постоянным ( рис. 1.2 а ).

Коэффициент поглощения можно увеличивать искусственно. Для излучения CO₂- лазеров это особенно важно, т.к. на длине волны излучения l = 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства металлов менее 10%. Для увеличения поглощения поверхность образца покрывают специальными теплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК - излучение, например фосфат цинка, для которого при Т = 1000⁰С эффективный коэффициент поглощения a_эф = 0,7.

Рис 1.3 Схема резки металла

лучом лазера.

Влияние поляризации лазерного излучения. При перемещении лазерного излучения относительно материала образуется рез, нормаль к поверхности которого составляет с падающим лучом угол y ( рис. 1.3 ). При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от поляризации. Способности поглощения лазерного излучения a_чъ - составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и a_^ - составляющей, перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает, что способность поглощения поляризованного излучения зависит от ориентации электрического вектора напряженности относительно поверхности металла.

Зависимость способности к поглощению излучения железа и алюминия на длине волны l = 10,6 мкм для двух составляющих a_чъ и a_^ приведены на рисунке 1.4.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материала h средний угол падения определяется выражением y = arctg ( h/d ).

Например, при резке материала толщиной 1,5 мм с диаметром пятна фокусировки 0,1 мм y = 80⁰.

Используя зависимость a_эф от угла падения луча на поверхность можно определить доли поглощенного лазерного излучения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризации и их отношение a_чъ/a_^ = 20, при y = 80⁰.

а ) б )

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента a_эф для луча с перпендикулярной и продольной поляризацией ( l = 10,6 мкм ) от угла падения на поверхность при Т = 20⁰ С и 1000⁰ С[4]:

а - материал алюминий;

б - материал железо.

Это означает, что при совпадении плоскостей резки и поляризации луча ( при направлении резки, параллельной плоскости поляризации ) поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20 раз больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и поляризации.

Это характерный случай получения глубокого реза в материале, т.к. отношение h/d составляет примерно 5,6 , и при рассмотрении необходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки или неглубокого проникновения излучения в материал, когда отношение h/d принимает небольшие значения, влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно пренебречь. Например, при прорезании металла на глубину 0,3 мм угол y составит 45⁰, а отношение поглощения параллельной к перпендикулярной составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металлов существенно зависит от температуры, а отношение a_чъ/a_^ уменьшается с уменьшением температуры. Так как поглощательная способность сильно зависит от угла падения, относительная разориентация векторов скорости резки и поляризации, линейно поляризованного излучения может привести к наклону реза. Этот эффект схематически показан на рисунке 1.4 [4].

Рис. 1.5 Влияние относительной ориентации векторов поляризации Е и скорости резки n на поперечную форму канала реза [4].

При совпадении плоскостей реза и поляризации большая часть энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечивает максимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии излучения поглощается боковыми сторонами реза. При промежуточных углах между поглощение несимметрично, что приводит к расширению реза и его искажению ( рис. 1.5 ). С увеличением скорости резки углы скоса кромок увеличиваются.

Распространение лазерного излучения в канале реза. При резке материалов лазерным излучением необходимо, чтобы луч проник в вещество как можно глубже. При этом интенсивность излучения должна быть весьма высокой, в связи с этим необходимо добиться минимального размера светового пятна на поверхности мишени. Радиус светового пятна в фокальной плоскости луча r_л = l/y, ( где y - угол расходимости луча, l - длинна волны излучения ), т.е. обратно пропорционален углу фокусировки луча . Поэтому, необходимо работать с острофокусным излучением. Такое излучение пройдя фокальную плоскость ( обычно совпадающую с плоскостью поверхности образца ), расфокусируется уже на малой глубине L=l/y² и будет попадать на боковые стенки канала. Если a - коэффициент поглощения мал, то большая часть света будет отражаться от стенок и попадать на дно канала.

Относительно просто распределение света в канале можно рассчитать в приближении геометрической оптики. Элементарный луч света, многократно отражаясь от стенок , либо частично отражается , если канал реза неглубокий, либо полностью поглощается, если канал реза глубокий.

Процессы распространения теплоты в зонах прилегающих к источнику, могут быть описаны только с учетом влияния характера распределения плотности мощности в пятне лазерного излучения.

Наиболее эффективными параметрами фокусировки обладает нормальное (Гауссово) распределение плотности мощности Е_(r) сфокусированного лазерного излучения, широко распространенного в промышленных технологических лазерах.

Рис.1.6 Нормальное распределение плотности мощности в пятне лазерного излучения.

1 - лазерное излу чение;

2 - обрабатываемая деталь.

Под воздействием такого излучения на поверхности мишени возникает тепловой источник нагрева с таким же нормальным распределением плотности мощности в пятне лазерного излучения (рис.1.1), q_(r) =q_m·e ^{k r}; где q_m=a_эфЕ_m- максимальная плотность в центре пятна нагрева ; k -коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения ; Е_m- максимальная плотность мощности лазерного излучения по оси; r - радиальное расстояние данной точки от центра.

За радиус светового пятна r_лобычно принимают радиус пятна нагрева, на котором q = 0,05_·q_m. Излучение удобно рассматривать в виде потока фотонов. На дне разрезаемого участка вследствии дифракции элементарный луч расплывается на ширину lh/d. Для расчета траектории луча необходимо, чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда вытекает условие применимости приближения геометрической оптики: d²/lh >> 1.

Это неравенство можно переписать , введя понятие коэффициента формы канала h/d: d/l >> h/d. На практике h/d лежит в пределах 5-10, т.е. при l = 10,6 мкм для применимости теории геометрической оптики необходимо, чтобы ширина реза канала реза d > 0,1 мм.

Исходя из приближений геометрической оптики сфокусированное излучение можно представить в виде совокупности N лучей. Каждому лучу на входе в канал соответствовала мощность P/N, где P - мощность лазера. При численных расчетах [4], если мощность луча после очередного отражения была меньше 10^-4 начальной, то его исключали.

Рис. 1.7 Зависимость эффективного коэффициента поглощенияизлу ченияa_эф СО ₂ - лазера со стальной мишенью от глубины реза a = 0,1. Для случая круговой поляризации.

С помощью такой методики была рассчитана зависимость эффективного поглощения µ_эф от глубины реза a_эф = ( P- P_отр )/ P ( рис.1.7 ). Конкретные расчеты [4] проводились для стали, коэффициент отражения поверхности a= 0,1. Полагалось, что лазер генерирует излучение с круговой поляризацией, электрический вектор которого вращается относительно канала реза.