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

Для лазерной сварки испарение поверхности материала нежела­тельно. Однако при резке металлических материа­лов или 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 отверстие.

Влияние параметров материала. При воздействии на поверхность импульсов излучения лазе­ра, работающего в режиме свободной генерации (длительность, импульса ~1 мс), процесс удаления материала с поверхности включает в себя два основных процесса: плавление и испарение. Такая длительность импульса достаточно велика для того, чтобы испаренный материал успе­вал выноситься за пределы зоны взаимодействия. Испарение идет с постоянно подвергающейся облуче­нию поверхности. В наиболее типичных условиях температура достигает точки кипения за очень короткое время. Время, в те­чение которого температура достигает точки кипения t_B, опре­деляется следующим выражением:

(2)

где k, ρ и с - соответственно теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость материала, Т_в- точка кипения, Т_о - температура окружающей среды и F - плотность мощности по­глощенного излучения.

В табл. 2 приведены значения t_B, полученные путем рас­чета по приведенной выше формуле при плотности мощности поглощенного излучения 10⁵, 10⁶ и 10⁷ Вт/см². Указанные пре­делы соответствуют плотности мощности, получаемой на по­верхности при использовании стандартных твердотельных лазеров с простейшей фокусирующей оптикой. Вследствие отражения излучения от поверхности плотность по­глощенной мощности может оказаться ниже плотности мощно­сти в падающем пучке. Приведенные в табл. 2 значения времени t_B могут быть очень малыми, так как при высоких значениях плотности поглощенной мощности испарение поверхности начи­нается очень быстро.

Таблица 2

¹⁾ Значения времени t_B вычислены в предполо­жении о равномерном распределении поглощенной мощности лазерного излучения на бесконечной плоскости.

На рис. 3 показано, как на эти результаты влияет конечное значение диа­метра лазерного пучка на поверхности. Приведенные кривые характеризуют плотность мощности лазерного излучения, кото­рая необходима для того, чтобы началось испарение поверхности.

Плотность мощности представлена как функция длитель­ности лазерного импульса и диаметра лазерного пучка на поверхности алюминиевого образца. При очень малых длитель­ностях импульса перенос тепла в поперечном направлении оказывается несущественным и полученный результат не зависит от размеров облучаемого пятна. В этих случаях результат хо­рошо описывается выражением (2). При увеличении дли­тельности импульса становится существенным перенос тепла в поперечном направлении и конечный результат зависит от размеров облучаемого пятна.

При малых размерах облучаемого пятна поперечные градиенты температуры становятся высокими, и тепловой поток очень быстро распространяется в сторону от фокальной области. Следовательно, испарение при небольшом диаметре облучаемого пятна, тре­бует более высокой плотности мощности. До того как начнется процесс кипения материала, поверх­ность должна хотя бы частично расплавиться. Из-за очень вы­сокой скорости развития процесса кипения не хватает времени для того, чтобы расплавить достаточно большое количество материала.

Рис. 3. Плотность мощности лазерного излучения, необходимая для нагре­вания поверхности массивного алюминиевого образца до точки кипения, в зависимости от длительности импульса и радиуса гауссова пучка а.

Таким образом, при высоких плотностях мощности лазерного излучения преобладает процесс испарения, а плавле­ние играет менее важную роль. Лазерная энергия, продолжаю­щая поступать к поверхности материала после того, как ее тем­пература достигнет точки кипения, идет на покрытие расхода на скрытую теплоту испарения. Удаляемый из образца мате­риал находится в паровой фазе. В результате в образце обра­зуется отверстие.

Время, которое необходимо для того, чтобы темпе­ратура поверхности достигала точки кипения, обычно составляет лишь небольшую часть длительности импульса. После этого устанав­ливается равновесие, и испарение поверхности идет с постоян­ной скоростью V_B, которая определяется следующим соотноше­нием:

V_B=F/{ρ[L+c(T_B -T_o)]}, (3)

где L — удельное значение скрытой теплоты испарения.

При разумном выборе условий работы, указанная скорость может сохраняться в течение почти всей длительности импульса лазера, работаю­щего в режиме свободной генерации. Для характерного импульса твердотельного лазера длительно­стью ~1 мс глубина испарившейся части типичного металла составляет ~1 мм.

Одним из важнейших факторов является скрытая теплота испарения. Металлы с низким значением скрытой теплоты испарения испа­ряются в значительно большем количестве по сравнению с ме­таллами, имеющими высокую скрытую теплоту испарения (на­пример, вольфрам). Количество испарившегося материала за­висит от условий облучения материала лазерным пучком, а глубина отверстия, которое может быть получено при помощи импульсного лазера, ограничена.

В общем случае резка осуществляется при более высо­ких значениях плотности мощности лазерного излучения, чем сварка. Поэтому для резки требуется более точная фокусировка лазерного пучка.

Если исходить из того, что весь удаляемый мате­риал испаряется, то количество материала, которое можно уда­лить с помощью лазера, будет ограничиваться величиной скры­той теплоты испарения. Максимальная глубина слоя испаряемого материала, очевидно, определяется следующим выражением:

D=E_o/Aρ[c(T_B-T_o)+L], (4)

где с - удельная теплоемкость, Т_в - температура кипения, Т_о - 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. С его помощью оценивается максимальное количество удаляемого материала. Для типичного металла (например, алюминия) перечисленные выше параметры имеют следующие значения: ρ=2,7г/см³, с=0,97Дж/г^.°С, T_B-T_o = 2447^оС, L = 10900 Дж/г. Если взять рубиновый лазер с выходной энергией 10 Дж, пучок которого фокусируется в пятно площадью 10^-3 см², то, согласно приве­денной выше формуле, максимальная глубина пробиваемого отверстия составит 0,28 см.

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. Верхний предел коли­чества удаляемого материала определяется формулой (4).