Физические особенности взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердых тел и формирования лазерной плазмы (обзор литературы)
Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика
Сфокусированное лазерное излучение позволяет разрезать почти любые материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать качественные и узкие резы (шириной 0,1–1 мм) со сравнительной небольшой зоной термического влияния.
При лазерной резке возникают минимальные деформации, как временные в процессе обработки заготовки, так и остаточные после ее полного остывания. В результате возможна резка с высокой степенью точности, в том числе нежестких и легкодеформируемых изделий. Благодаря относительно несложному управлению лазерным пучком можно выполнять автоматическую обработку плоских и объемных деталей по сложному контуру.
Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, обеспечивая высокие качество и точность при сравнительно большой скорости разрезания. Однако для металла толщиной 20–40 мм она применяется значительно реже кислородной или плазменной резки, а для металла толщиной свыше 40 мм – практически не используется.
Табл. Сравнение лазерной резки с кислородной, плазменной и гидроабразивной резкой
Наименование
Характеристика лазерной резки по отношению к
кислородной
плазменной
гидроабразивной
Типичная ширина реза (мм)
меньше в разы и десятки раз
Качество
сильно превосходит
превосходит
уступает
Зона термического влияния
меньше
меньше
больше
Ограничение по максимальной толщине металла
очень сильно уступает
значительно уступает по цветным металлам, уступает по остальным металлам
значительно уступает
Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки)
превосходит
сопоставимая
сильно превосходит
Стоимость оборудования
гораздо выше
выше
сопоставимая
Стоимость обслуживания
выше
сопоставимая
сопоставимая
Современные лазерные системы обладают рекордной мощностью излучения и позволяют получать высокую концентрацию энергии в облучаемом веществе. Фокусировка лазерного излучения, обладающего слабой расходимостью, приводит к процессам взаимодействия с веществом излучения высокой плотности мощности и напряженности электрического поля световой волны. Исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средствами охватывают широкий диапазон плотности потока q (103-1015Вт/см2), и характер процессов, развивающихся при таком взаимодействии, зависит в первую очередь от значения q на поверхности облучаемого вещества.
Одним из наиболее интересных физических эффектов взаимодействия, имеющим и большое практическое значение, является образование плотной высокотемпературной плазмы при плотности потока лазерного излучения, превышающей критическое значение q0. При q > q0 поглощенная энергия превышает энергию связи атомов в веществе и энергию ионизации, в результате чего слой облучаемого вещества превращается в плазму. В дальнейшем сильноионизованная плазма поглощает лазерное излучение, что приводит ее к значительному разогреву.
Из-за большого градиента давления вещество выбрасывается с облученной поверхности, и происходит газодинамическое расширение плазменного сгустка. Другим важным фактором, влияющим на характер нагрева плазмы и ее разлет, является соотношение между временем действия лазерного импульса tл и временем газодинамического разлета плазмы tр, которое определяется временем жизни плазмы в области горячего ядра сгустка, т.е. величиной r0 / c, где r0- начальный размер плазменного сгустка, примерно равный радиусу пятна фокусировки лазерного излучения, с- скорость звука в плазме. При взаимодействии с веществом импульсов лазерного излучения наносекундной длительности реализуется режим газодинамического движения, когда tл > tp.
Исследования плазменного сгустка на ранних стадиях его разлета показали, что в нем можно выделить три зоны, различающиеся плотностью частиц и характером газодинамического движения (рис.2.1) [4].
Зона 1- плотное горячее ядро факела, поглощающее лазерное излучение, зона 2 - зона ускорения, в которой происходит переход тепловой энергии плазмы в кинетическую энергию направленного газодинамического движения, и зона 3 - в ней скорость движения частиц плазмы выходит на асимптотическое значение, а тепловая энергия плазмы существенно меньше энергии направленного движения. Поскольку интенсивным эмиттером ионов является, в первую очередь, область плотного горячего ядра сгустка (зона 1), именно эта область и ее параметры представляют наибольший интерес.
Рис.2.1.Характерные зоны в разлетающейся лазерной плазме (АА – каустика лазерного излучения)
В работе [5] получены выражения для оценки внутренней энергии, Дж/кг, плотности, кг/м3, и массы горячего ядра лазерной плазмы, кг, в зависимости от мощности излучения W, Вт, и начального размера плазменного сгустка r0, см:
є ≈ 5,3∙108 k0 r0 W4/9;
ρ ≈ 1,3 ∙10-5 k0 r –10 W1/3; (1)
M ≈ 1,9 ∙10-6 k0 tл r 2/30 W5/9,
где k0 = Z3(Z+1)3/2 A – 7/2; Z – порядковый номер элемента; А – его атомная масса.
Многочисленные экспериментальные исследования лазерной плазмы можно условно разделить на две группы. К первой относятся исследования плазменного сгустка в момент его образования. В этих исследованиях используют методы оптической спектроскопии и интерферометрии. Вторая группа исследований посвящена изучению бесстолкновительной лазерной плазмы на поздних стадиях ее разлета, в которых используются коллекторные и масс-спектрометрические методы. В конечном итоге с помощью корпускулярных методов диагностики лазерной плазмы можно получить количественную информацию о частицах лазерной плазмы, изучить такие параметры, как энергетические и пространственные спектры ионов, электронов и нейтральных частиц, зарядовые спектры ионов, и идентифицировать массовый состав частиц плазмы.
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав!Последнее добавление
