Анализ процессов возникающих при лазерной резке материалов

Как видно из выражения (1.4), при  совместном действии объемного источника теплоты в материале и поверхностного стока максимальная температура достигается на некотором расстоянии z_o от поверхности испарения. Это расстояние определяется как

(1.5)

 

 

(1.6)

 

Для неметаллов зачастую а≈β, что  говорит о возможности значительного  внутреннего перегрева. В этих условиях, когда материал частично прозрачен  для падающего на него излучения, энергия поглощается внутри образца  впереди фронта испарения, вызывая  внутреннее кипение вещества, наблюдаемое  в виде микровзрывов.

 Нижней границей  применимости тепловой модели  разрушения непрозрачных материалов, как уже было показано, является значение q_кр, определяемое по выражению (1.1). Верхняя граница для светового потока определяется из условия отсутствия заметной экранировки излучения, которая происходит за счет поглощения и рассеяния луча в нагретых парах при связанно-свободных переходах электронов возбужденных атомов, при тормозном поглощении электронов в поле ионов и нейтральных атомов, а также в продуктах эрозии, летящих со дна канала (лунки) и образованных в результате объемной конденсации расширяющегося пара.

 

Глубина лунки растет с увеличением  плотности энергии излучения. Однако существует оптимальный режим испарения для данного вещества, обеспечивающий максимальные значения удельного выноса массы и перемещения фронта испарения. Плотность потока в оптимальном режиме определяется как

(1.7)

 

где Q — плотность энергии.

 

Оптимальный режим испарения обеспечивается в том случае, когда скорость движения фронта испарения близка к средней  за время действия импульса скорости распространения волны нагрева  в материале.

 

 

 

Рис. 32 Удельный вынос массы   материала в зависимости от   плотности падающей энергии излучения  при испарении вещества

 

 

На рис. 32 изображена кривая, качественно  характеризующая зависимость удельного  выноса массы µ от плотности падающей энергии излучения Q, когда разрушение описывается моделью испарения. Область Q<Q₁ соответствует нестационарному испарению материала, которое переходит в квазистационарное при Q>Q₁ когда отвода теплоты путем теплопроводности можно пренебречь. С увеличением Q удельный вынос достигает максимального значения, а затем падает, так как полная энергия испарения растет с увеличением температуры испаряемой границы.

При использовании лазеров с  модулированной добротностью и длительностью  импульсов, не превышающей 100 мкс, процесс  испарения не успевает стать квазистационарным: температура и скорость испарения  изменяются в течение импульса. С  началом испарения температура  продолжает расти, но по мере роста  скорости темп нагревания замедляется.

Важное значение в механизме  испарения неметаллов приобретает  при определенных условиях движение испаряемого вещества или вещества, выброшенного с поверхности под действием лазерного нагрева, приводящее к существенному изменению взаимодействия излучения с материалом. Испаренное вещество создает большое давление на поверхность, в результате чего температура испарения возрастает и изменяются условия протекания процесса. Из-за сильного нагрева вещества пары могут передавать поверхности значительный импульс отдачи.

Начальная скорость расширения пара u_п0, как известно из газодинамики, равна местной скорости звука и определяется в соответствии с выражением

 

(1.8)

 

где γ - показатель адиабаты пара; R -универсальная газовая постоянная; М - молекулярный вес вещества; Т₁ - начальная температура пара.

При дальнейшем движении скорость пара может значительно превосходить скорость звука, а его ускорение происходит в тонком слое у поверхности испарения толщиной в несколько длин свободного пробега частиц пара. Сверхзвуковой режим истечения сопровождается образованием ударных волн в струе испаряющегося материала. Если в дальнейшем в зависимости от профиля канала (лунки) происходит расширение и ускорение пара, то в результате его резкого охлаждения может произойти конденсация пара в капли. Температура струи за конденсационным скачком возрастает до значений, близких к температуре поверхности, а ее местные значения для конденсата и пара, как и их скорости, мало отличаются друг от друга.

Результирующая скорость движения границы испарения v’₀, определяющаяся разностью скоростей испарения v₀ и конденсации v_K за счет обратного потока, образующегося при столкновении атомов и молекул пара и окружающей среды, составляет приблизительно 0,8 v₀.

Движущаяся парожидкостная струя  захватывает сконденсированные  капли расплава, очищая таким образом  полость реза и оплавляя стенки канала. В зависимости от параметров лазерного излучения (плотности мощности, длительности импульса) и свойств обрабатываемого материала доля жидкой фазы в продуктах разрушения может составлять от 30 до 80%, и она тем больше, чем выше теплопроводность материала и чем значительнее разница между температурами плавления и испарения.

При высоких значениях интенсивности  лазерного излучения, поскольку  оно представляет собой переменное электрическое поле с большой  напряженностью, в нем, как и в  постоянном электрическом поле, может  происходить пробой газов. Плотность  мощности, необходимая для пробоя, в воздухе при атмосферном  давлении составляет для излучения  С0₂-лазера 10⁹ Вт/см², для излучения неодимового лазера - 10¹¹ Вт/см. Однако при взаимодействии с материалом порог пробоя газа существенно снижается и может происходить при плотностях мощности 10⁶...10⁷ Вт/см². Это явление связано с присутствием легкоионизируемых паров разрушаемого материала, за счет которых снижается суммарный потенциал ионизации газа, находящегося вблизи поверхности.

Возникновение плазмы при оптическом пробое вблизи поверхности может  значительно изменить характер взаимодействия (усилить или ослабить) излучения  с материалом в зависимости от условий обработки. Усиление взаимодействия наблюдается, например, для коротких лазерных импульсов (τ_И ≈1 мкс), действующих на материалы с высоким коэффициентом отражения, когда плазменное облако за время импульса не успевает отойти от поверхности. В этом случае, поскольку излучение с данной длиной волны поглощается слабо отражающей поверхностью, передача энергии к образцу может возрасти за счет более полного поглощения лазерного излучения плазмой с последующей передачей теплоты образцу за счет теплопроводности или за счет излучения плазмы.

В непрерывном режиме или при  большой длительности импульса, как  при разделении сильноотражающих, так  и сильнопоглощающих материалов, основной эффект выражается в ослаблении интенсивности излучения, сфокусированного на поверхности образца, из-за поглощение в плазме. Прозрачность такой низкотемпературной плазмы зависит от ее температуры  и концентрации. Основными процессами поглощения в паре, как уже отмечалось, является фотопоглощение возбужденными атомами и тормозное поглощение электронами, а также поглощение и рассеяние светового потока на частица; конденсата. Ослабление плотности мощности излучения, сфокусированного на поверхности образца, может произойти также и за счет дефокусировки в плазме.

Эффекты взаимодействия лазерного  излучения с плазмой можно схематично проиллюстрировать изменение* глубины испаренного слоя при облучении наносекундным импульсом (рис. 33). В начале лазерного импульса поверхность поглощает падающее излучение и начинав испаряться. Затем на протяжении большей части лазерного импульса плазма над поверхностью поглощает свет, и испарение поверхности прекращается, что соответствует горизонтальному участку кривой. К концу лазерного импульса плазма становится очень горячей и переизлучает энергию, которая достигает поверхности и снова вызывает испарение. Таким образом, одинаковое количество энергии лазерного излучения, выделяющееся при облучении материала, при очень высокой мощности вызывает менее эффективное испарение, чем-то же количество энергии в случае более длительного импульса с меньшей мощностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

Помимо поглощения, в  плазме при резке органических материалов может наблюдаться ослабление излучения за счет наличия колебательно-вращательных полос поглощения в молекулярных газах, образующихся при термодеструкции полимера. Резонансное поглощение имеет место при совпадении частот характеристических колебаний молекул газа и частоты генерации лазерного излучения. Существенный вклад в ослабление излучения может вносить экранировка его продуктами разрушения (эрозионный факел), которая для диэлектриков, непрозрачных на данной длине волны за счет молекулярного поглощения, в отличие от металлов начинается при меньших плотностях мощности.

Полная оптическая толщина ослабления Λ_ф излучения на частицах эрозионного факела вычисляется с помощью интегрирования показателя ослабления α_осл вдоль направления распространения луча (ось z):

 

 

(1.9)

 

 

где S(R) — сечение ослабления для частицы радиусом R; n_Ч(R,z)dR - число частиц, приходящееся на единицу объема в интервале изменения радиусов частиц от R до R + dR..

Для большинства диэлектриков, продукты, разрушения которых ослабляют лазерный пучок на длине волны генерации излучения, характерен пульсирующий характер испарения. Низкочастотный спектр колебаний (несколько Гц) обусловлен макроструктурой (периодической или хаотической) строения материала; высокочастотные колебания связаны с конкуренцией двух процессов — разлета паровой фазы и экранировки излучения. При некоторой глубине канала (лунки) происходит затухание пульсаций и установление режима взаимодействия с постоянным поглощением в столбе паров.

 

Таким образом, общая картина разделения материала  в режиме испарения может быть представлена следующими явлениями.

 

1). Поглощение излучения поверхностью и передача энергии твердому телу. Увеличение температуры поверхности до точки кипения происходит настолько быстро, что жидкая фаза не успевает образоваться в значительном количестве.

 

2). Возгонка материала. Разрушение неметаллических материалов, в большинстве своем имеющих сложное химическое строение, происходит в виде последовательного, по мере возрастания температуры, испарения отдельных его составляющих. Для частично прозрачных на определенной длине волны материалов характерен режим внутреннего кипения.

 

3). Образование эрозионного факела. Удаление пара с поверхности происходит с околозвуковыми скоростями в виде струи, направленной от поверхности испарения, в которой вместе с паром движутся сконденсированные капли вещества и другие продукты эрозии, выброшенные со дна и стенок канала (лунки).

 

4). Возникновение волн давления. В результате появления импульса отдачи в связи с разлетом продуктов эрозии и значительного температурного градиента возникают волны давления и термомеханические напряжения, которые могут привести к механическому разрушению материала.

 

5). Экранировка поверхности. Пар, истекающий из зоны обработки, может снижать порог плазмообразования и приводить к ослаблению излучения, падающего на поверхность. Рассеяние и поглощение излучения происходят также на продуктах конденсации и твердых частицах вещества. Резонансное поглощение наблюдается при совпадении частоты характеристических колебаний молекул в газах или радикалах и частоты генерации лазерного излучения. Явление экранировки обусловливает существование оптимального значения плотности мощности излучения, при котором удельный вынос массы максимален.

 

6). Автоколебательный режим испарения. Возникновение эрозионного факела и рост глубины канала (лунки) носят самосогласованный пульсирующий характер.

 

 

1.3.3.2 Термохимические особенности  лазерного разрушения неметаллов.

 

Химическое действие лазерного  излучения может быть связано:

 

1)- с локальным нагревом, т. е.  увеличением в облучаемой среде числа частиц, имеющих энергию выше энергии активации химической реакции;

 

2)- с поглощением фотона  молекулой, которая либо диссоциирует, либо возбуждается до уровня, когда реакция ее с другой молекулой требует малой энергии активации (при этом общая температура среды может практически не повышаться);

 

3)- с возбуждением радиационно-химических  превращений, аналогичных процессам, наблюдающимся при прохождении через среду быстрых частиц, которые образуют ионы, радикалы и возбужденные частицы;

 

4)- с макроскопическим разогревом  среды.

 

В зависимости от интенсивности  действующего излучения и состояния  среды причины химических превращений  могут быть различными. В частности, фотохимический процесс может сменяться  тепловым. Разделение этих двух процессов  обычно сложно и выполняется надежно  только при относительно небольших  интенсивностях излучения. В материале, на который действует лазерный луч, возможна конкуренция теплового и фотохимического механизмов превращения вещества. Одним из критериев перехода одного механизма в другой является длительность импульса τ_кр лазерного излучения: при τ> τ_кр в среде преобладают тепловые химические реакции, а при τ<τ_кр — фотохимические.