Параметры лазерного излучения, определяющие эффективность удаления обрабатываемого материала при импульсном воздействии

Для лазерной сварки испарение поверхности материала нежела­тельно. Однако при гравировке металлов или при пробивании в них отверстий этот эффект оказывается полез­ным. Если плотность мощности лазерного излучения на поверх­ности металла достаточно высока, то температура его поверхности быстро достигает точки кипения материала и в результате ис­парения в материале образуется углубление или отверстие.

1.3.Основные закономерности лазерной гравировки металлов импульсно-периодическим излучением

Для удаления материала можно использовать различные ти­пы лазеров. Их перечень несколько отличается от перечня ла­зеров, применяемых для сварки, так как в данном случае тре­буются более высокие уровни плотности мощности. Для удаления мате­риала можно использовать ТЕА СО₂ лазер и АИГ лазер с неодимом, работающий в режиме повторяющихся импульсов с модуляцией добротности. Для операций удаления материала требуются импульсы с меньшей длительностью, чем для сварки, но с большей плотностью мощ­ности излучения. Непрерывные лазеры применяются для про­бивки отверстий и удаления материала значительно реже, чем для сварки и термообработки. Это связано с тем, что при ис­пользовании непрерывных лазеров выделившееся тепло за счет теплопроводности может проникнуть слишком глубоко внутрь образца.

Большую роль играют также параметры обрабатываемого материала. Наиболее существенны температуропроводность, скрытая теплота испарения и коэффициент отражения лазерно­го излучения. Если исходить из того, что весь удаляемый мате­риал испаряется, то количество материала, которое можно уда­лить с помощью лазера, будет ограничиваться величиной скры­той теплоты испарения. Проведем простой расчет. Максимальная глубина слоя испаряемого материала определяется следующим; выражением:

D = E_o/Aρ[c{T_B-T_o)+L], (1)

где с - удельная теплоемкость, Т'в - температура кипения, То - температура окружающей среды, L — скрытая теплота испаре­ния в расчете на единицу массы, ρ - плотность материала, Е_о - энергия лазерного импульса и А - площадь, облучаемая пуч­ком.

Приведенное соотношение является прямым следствием закона сохранения энергии. Оно основывается на предполо­жении о том, что вся энергия лазерного импульса затрачива­ется на нагрев удаляемого материала до температуры кипения и передачи ему скрытой теплоты испарения. Оно представляет собой максимальное количество удаляемого материала.

Для типичного металла (например, алюминия) перечисленные выше параметры имеют следующие значения: ρ = 2,7 г/см³, с = 0,97 Дж/г^.°С, Т_в-Т₀ = 2447^оС, L = 10900 Дж/г. Для рубинового лазера с выходной энергией 10 Дж, пучок которого фокусируется в пятно площадью 10^-3 см², максимальная глубина пробиваемого отверстия по формуле (1) составит 2,8 мм. На практике глубина отверстия за­висит от целого ряда других факторов. К уменьшению разме­ра отверстия приводят потери энергии лазерного излучения в результате отражения пучка от поверхности и отвода тепла вглубь образца за счет теплопроводности. Расплескивание рас­плавленного материала, который не успевает полностью испа­риться, ведет к увеличению глубины отверстия. Приведенные соображения указывают на общие ограничения, которые прису­щи рассматриваемому методу.

На рис. 3 приведены данные, характеризующие количе­ство материала, которое может быть удалено в результате воздействия лазерного импульса [1]. Приведенные кривые ука­зывают на взаимосвязь между скрытой теплотой испарения и коэффициентом температуропроводности. Из рисунка видно, что кривые для алюминия и железа пересекаются. При относитель­но малых уровнях плотности мощности лазерного излучения важное значение имеет утечка тепла в глубь образца. У алю­миния температуропроводность выше, чем у железа, и поэтому указанные потери больше. По этой причине глубина отверстия в алюминии меньше, чем в железе.

Рис. 3. Экспериментальные данные о глубине слоя, испаряемого импуль­сом излучения лазера на неодимовом стекле длительностью 700 мкc [1].

По мере возрастания плот­ности мощности лазерного излучения сокращается время, в те­чение которого достигается температура кипения материала. В итоге уменьшается время отвода тепла вглубь образца, и соответствующие потери тепла становятся менее существенны­ми. В указанном режиме процесс удаления материала опреде­ляется в основном скрытой теплотой испарения, а поскольку скрытая теплота испарения у железа выше, чем у алюминия, то количество испаряемого алюминия оказывается выше.