Анализ процессов возникающих при лазерной резке материалов

 

Под термической  реакцией подразумевается такая  последовательность событий:

 

1. поглощенное излучение импульсного лазера быстро превращается в тепловую энергию, вызывая скачок температуры;

 

2) обычные высокотемпературные  реакции протекают в ходе охлаждения  вещества до комнатной температуры. В этой модели степень протекания реакции в течение скачка температуры считается пренебрежимо малой.

 

 

 

Фотохимическая реакция протекает  до завершения скачка температуры. Распределение  молекулярной энергии между реагирующими молекулами во время этого процесса не обязательно равновесное. В ряде случаев для некоторых веществ, поглощающих лазерное излучение, какая-то реакция может протекать во время  скачка температуры, а какая-то после  него. Для смесей реагирующих соединений может случиться, что соединение, поглощающее энергию, реагирует фотохимически, тогда как другие соединения реагируют после скачка температуры.

Химические реакции всегда требуют  определенной энергии активации. Это связано с необходимостью сближения реагентов, поскольку такое сближение реагирующих молекул сопровождается отталкиванием, для преодоления которого требуется энергия, отвечающая энергии активации реакции.

На разрыв связи или на инициирование  реакции должна затрачиваться не только энергия поступательного движения, но и энергия внутренних степеней свободы — колебательная и вращательная. В процессе химического превращения основную роль играет колебательная энергия молекул. Например, диссоциация невозбужденной молекулы чрезвычайно мала, даже если поступательная энергия превышает энергию связи. Диссоциируют в основном молекулы, колебательная энергия которых превышает энергию связи.

Химические превращения  идут по следующей схеме. Молекулы при  взаимодействии между собой «поднимаются»  по колебательным уровням энергии  вплоть до энергии активации Е_а, при которой молекулы эффективно вступают в реакцию, и характерное время протекания процесса определяется временем набора молекулой пороговой энергии Е_а.

В случае воздействия лазерного  излучения на материал органического, в том числе полимерного, строения в облучаемом веществе происходят последовательно  или в сочетаниях, зависящих от конкретных условий, процессы фотодеструкции, термической и термоокислительной деструкции, диффузионные и тому подобные процессы, переходящие на макроуровне в чисто механическое разрушение. Начальная стадия разрушения полимеров обычно приводит к фотодеструкции. Она протекает по радикальному механизму и начинается с распада хромоформной группы  (—ОН, —ОСНз, —Cl). Продукты этого процесса — низкомолекулярные вещества и обрывки высокомолекулярных цепей с рекомбинированным свободным электроном.

Если процесс идет в присутствии  кислорода (при лазерной обработке  в атмосфере воздуха), то деструкция происходит по фотоокислительному механизму, для которого характерны меньшая скорость образования поперечных сшивок и иная их природа по сравнению с фотодеструкцией. Одновременно с образованием низкомолекулярных продуктов деструкции идет дополнительная сшивка макромолекул. Полимер, содержащий сшитые продукты деструкции, из-за образования сопряженных кратных связей становится частично окрашенным, образуя коксообразные структуры.

Разрыв  материала вызывает начало термической  деструкции (при доступе кислорода - термоокислительной). Интенсивность  деструкции под действием излучения характеризуется числом разрывов цепи п в расчете на исходную макромолекулу и значением квантового выхода Ф разрыва цепи:

 

 

(1.10)

 

 

где М_по, М_п - среднечисловые молекулярные массы полимера до и после облучения; t -продолжительность облучения; т - масса образца.

Термическая деструкция начинается при  небольшом перегреве и идет с заметной скоростью в интервале температур 200...500°С (в этом интервале скорость деструкции удваивается при увеличении температуры на каждые десять градусов). В результате разрыва С—С связей основной цепи полимеры начинают деструктировать с образованием активных центров свободно-радикального типа. Свободные радикалы далее деполимеризуются (отщепляют молекулу мономера) или вступают в реакцию передачи цепи на соседнюю молекулу. Продукты деструкции при этом — мономер (менее 1%) и большие осколки цепей.

Энергия активации процесса разрушения карбоцепных полимеров составляет около 80 кДж/моль для полипропилена  и 100 кДж/моль для полиэтилена. У полимеров, содержащих функциональные группы в  основной цепи (сложноэфирные, амидные), могут идти реакции распада по этим функциональным группам с последующим декарбоксилированием и образованием Н₂О, СО, СО₂. Полиамид деструктирует через образование амина и кислоты и далее до выделения NН₃ и СО₂. Деструкция полимеров с фенильными звеньями в основной цепи идет через присоединение атомарного водорода, фенильных и метильных радикалов к ароматическим циклам с образованием радикалов циклогексадиенильного типа.

Термоокислительная деструкция протекает  при участии кислорода по радикально-цепному механизму. Инициаторами термоокислительной деструкции в реальном полимере являются примеси (остатки инициаторов полимеризации, соединения металлов переменной валентности, легкооксиляющиеся органические вещества). Основную массу продуктов деструкции составляет вода, альдегиды, кетоны, спирты и т. п. Необходимо отметить, что при лазерной резке полимеров в потоке нейтрального газа чисто окислительная деструкция невозможна из-за недостатка кислорода в зоне реза.

 

1.3.4. Технологические параметры  и показатели

 

Для проектирования технологических  процессов и выбора режимов обработки материала необходимо знание основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих данный процесс. Для операций лазерного разделения совокупность параметров, характеризующих технологический процесс, делится на задающие параметры (рис. 2.1) и показатели разделения, которые обеспечиваются первой группой параметров. Группа задающих параметров включает в себя параметры установки, свойства материала и условия обработки. Рассмотрим более подробно составные части каждой из этих групп.

1) Среди параметров, характеризующих  лазерную установку, можно выделить энергетические, пространственно-временные и оптические.

 

К энергетическим  параметрам относятся:

- для лазеров непрерывного  действия — мощность излучения Р;

- для лазеров импульсного и импульсно-периодического действия — энергия в импульсе W_H.

 

К пространственно временным параметрам относятся (для импульсно-периодических лазеров):

- длительность импульса т_и;

- частота следования импульсов F_И;

- скважность q:

(1.11) , где τ_п - время паузы;

 

- форма огибающей импульса, пичковая  структура которого может быть хаотической или модулированной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.34 Схема  задающих параметров технологического процесса лазерного разделения материалов

 

С помощью временных и энергетических параметров можно определить мощность импульса Р_И среднюю мощность Р_и  :

(1.12)

 

Учитывая (1.12), нетрудно получить

(1.13)

 

К оптическим  параметрам установки относятся: длина волны излучения λ; расходимость θ; диаметр луча на выходе из резонатора (апертура) d; модовый состав излучения TEM_mn состояние поляризации излучения Е.

 

2.) Разделяемый материал характеризуется набором оптических и теплофизических параметров, которые были указаны в предыдущем пункте.

 

3.) Технологические условия обработки определяются параметрами фокусирующей оптики, устройств формирования и подачи потока газа в зону обработки, а также параметрами координатного устройства, обеспечивающего позиционирование образца относительно луча. Фокусирующая оптика, обеспечивающая формирование на поверхности материала светового пятна необходимых размеров, характеризуется: фокусным расстоянием f; показателем преломления материала линзы; радиусами кривизны оптических поверхностей. Параметры разделения зависят также от положения плоскости наименьшего размера ∆ f  фокусируемого пучка относительно поверхности материала.

Важным параметром, определяющим эффективность  и качество технологического процесса, является плотность мощности (энергии) лазерного излучения в фокальном пятне

Таким образом, процессы лазерного  разделения характеризуются многочисленным набором факторов, зачастую зависящих  друг от друга. Поэтому произвести точный расчет, отражающий влияние всех параметров, не представляется возможным даже с  привлечением ЭВМ.

 

1.3.5. Энергетический баланс процесса лазерного разделения

 

Показатели  разделения во многом определяются той  долей энергии (мощности) излучения, выходящего из лазера, которая была полезно истрачена (т. е. вызвала собственно разрушение) в зоне обработки. Эта доля, определяемая коэффициентом полезного действия процесса η₀, зависит, во-первых, от той части лазерного излучения, которая достигает поверхности материала и поглощается в нем (эффективный КПД процесса η_Э), и, во-вторых, от той части излучения, поглощенного материалом, которая идет непосредственно на разрушение (термический КПД процесса η_Т):

(1.14)

 

Обозначив мощность излучения, выходящего из лазера, P₀ , а мощность излучения, достигшую поверхности разделяемого материала, Р_пов , можно записать

(1.15)

 

где Р'_пот -  мощность, характеризующая потери при передаче излучения от лазера к материалу. В свою очередь,

(1.16)

 

где Р"_пот—мощность, характеризующая потери внутри материала; Р_разр — часть мощности излучения, расходуемая на разрушение.

 

Рассмотрим  потери мощности при транспортировке  излучения до поверхности материала. Потери на отражение будут наблюдаться  на каждом из элементов транспортирующей и фокусирующей оптики Р_опт. При каждом отражении от зеркал потери составляют 1...2%. При использовании проходной фокусирующей оптики потери на отражение составляют около 4% для каждой из оптических поверхностей. Применение специальных просветляющих покрытий позволяет снизить потери.

 

При взаимодействии излучения с материалом имеет место частичное отражение (зеркальное и диффузное) от его поверхности, на что теряется мощность Р_отр , пропорциональная коэффициенту отражения R:

(1.17)

 

где Р_ф - потери в факеле, образующемся внутри канала и на поверхности материала, которые складываются из ослабления излучения в плазме Р_пл и частицах аэрозоля Р_аэр, содержащихся в факеле, и определяются в соответствии с законом Бугера:

 

(1.18)

 

где α = (α_пл + α_аэр)— показатель поглощения излучения в факеле (α_пл — в плазме, α_аэр — в аэрозоли).

 

Таким образом, в потери при транспортировке  излучения входят следующие слагаемые:

(1.19)

Потери  внутри материала складываются из: потерь за счет теплопроводности Р_тп, зависящих от теплофизических свойств и скорости обработки; потерь за счет отвода части мощности газовой струей Р_газ, зависящих от массового расхода в потоке газа; потерь за счет перехода части энергии излучения в кинетическую энергию Р_кин разлетающихся продуктов разрушения, зависящую от температуры поверхности испарения.

Таким образом, потери внутри материала  составляют

(1.20)

 

В ряде случаев  процесс разделения сопровождается выделением энергии химических реакций и фазовых переходов в зоне обработки, которая служит дополнительным источником теплоты. Соответствующая мощность может быть оценена выражением

 

(1.21)

 

где Q — удельное энерговыделение химических реакций; т’(t)  — скорость разрушения материала; т’(t) = bhρv_p.

Выделение энергии может сменяться поглощением  ее или же идти одновременно в зависимости  от образующихся продуктов реакции. Для большинства органических материалов процесс разрушения в зоне деструкции представляет собой разрыв связей С—С или С—О, как наименее прочных, и идет с затратами энергии. Процессы ассоциации могут идти в направлении образования СО₂ с выделением энергии.

Таким образом, уравнение энергобаланса при  лазерном разделении материалов записывается в виде

(1.22)

 

 

Учитывая  ряд особенностей разделения неметаллических  материалов, уравнение (1.21) можно существенно  упростить, если пренебречь некоторыми слагаемыми. Данное упрощение основывается на следующих соображениях.

Принимая во внимание конкуренцию  процессов выделения и поглощения энергии в результате протекания химических реакций и примерное равенство по абсолютной величине их теплового эффекта, а также его небольшое значение по сравнению с энерговкладом от лазерного излучения, слагаемым Р_хр можно пренебречь.

Неметаллические материалы обладают существенно  меньшей по сравнению с металлами  теплопроводностью, что при выполнении условия v_pr_f /a> 1 также позволяет не принимать во внимание потери данного рода.

Несмотря  на высокие значения температуры  поверхности испарения и соответственно скорости разлета паровой фазы, вследствие малой общей массы удаляемых продуктов разрушения кинетическая энергия Р_тн незначительна.