Передача энергии излучения обрабатываемымматериалам

В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связано с термическим эффектом поглощения светового излучения непрозрачными материалами [].

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1…1 мкм. Это приводит к повышению энергии электронов и, вследствие этого, к интенсификации их столкновений между собой. Энергия, поглощенная электронами, в начальный момент времени c незначительно передается кристаллической решетке металла. Поэтому в это время тепловое состояние металла будет характеризоваться двумя значительно различающими температурами: электронной Т_е и решетчатой T_i, причем Т_е >> T_i.

Интенсивность передачи энергии свободных электронов кристаллической решетке с течением времени возрастает. Начиная с времени релаксации , разность температур Т_е – T_i становится минимальной, и тепловое состояние металла можно характеризовать общей температурой Т _м при условии, что плотность мощности излучения в зоне обработки не превышает 10⁹ Вт/см² (СИ).

Схема процесса поглощения лазерного излучения материалом представлена на рис. 3.1.

Определение поглощения лазерного излучения материалом может производиться по формуле Бугера-Ламберта[15]

, (3.1)

где I_z – интенсивность излучения на глубине z;

I ₀ – интенсивность излучения на поверхности;

α – коэффициент поглощения излучения материалом;

h –глубинапроникновения излучения , где – коэффициент температуропроводности; t – время воздействия.

Рис. 3.1. Схема процесса поглощения лазерного излучения материалом

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Таким образом, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при лазерной обработке с классических позиций теории теплопроводности.

Чтобы воспользоваться разработанным математическим аппаратом теории теплопроводности, необходимо соответствующим образом описать тепловой источник на поверхности или в объеме металла в месте воздействия лазерного излучения. Однако это можно сделать лишь с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с твердым телом.

Лазерное излучение при падении на поверхность твердого тела частично отражается. Интенсивность отражения энергии определяется значением коэффициента отражения, который зависит от рода материала и длины волны излучения. В табл. 3.1 представлены значения коэффициентов отражения R, полученные при нормальном падении луча и нормальной температуре, для различных металлов в диапазоне длин волн наиболее распространенных типов лазеров.

Следует обратить внимание на высокие значения коэффициента отражения металлических поверхностей при воздействии излучением
СО₂-лазеров, применяемых в настоящее время в качестве мощных технологических лазеров. Важным обстоятельством является существенное увеличение поглощательной способности с ростом температуры поверхности.

Таблица 3.1

Коэффициенты отражения

Характеристика лазера	R металла
Активное вещество	l, мкм	Au	Cr	Ag	Ni
Ar Рубин ИАГ-Nd CO2	0,488 0,694 1,064 10,600	0,415 0,930 0,981 0,975	0,437 0,831 0,901 0,984	0,952 0,961 0,964 0,989	0,597 0,676 0,741 0,942

Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности на длине волны лазерного излучения l = 10,6 мкм определяется уравнением Хагена-Рубенса

, (3.2)

где А = 1 – R – коэффициент поглощения; σ₀ – удельная электрическая проводимость металла, См/м.

Электрическая проводимость металлов уменьшается с ростом температуры, соответственно возрастают коэффициенты поглощения. Кроме этого важным фактором является состояние поверхности. В частности, если лазерная обработка поверхности осуществляется в воздушной или какой-либо другой окислительной среде, то происходят рост окисной пленки на поверхности образца и увеличение поглощательной способности (табл. 3.2). Коэффициент поглощения инфракрасного излучения с длиной волны излучения l = 10,6 мкм окисленной поверхностью возрастает

Таблица 3.2

Коэффициенты поглощения

Металл	А поверхности
Полированной неокисленной	Окисленной (T = 873 K, t = 2 ч)
Au	0,010	–
Al	0,034	0,25–0,50
Fe	0,050	0,33–0,74
Zr	0,083	0,45–0,56
Ti	0,094	0,18–0,25

Таким образом, энергетическая эффективность процессов лазерной обработки может быть значительно повышена соответствующей обработкой поверхности.

Эффект достигается изменением как топографии поверхности, так и химического состава. По данным ArataY, увеличение степени шероховатости Rz от 34 до 120 мкм приводит к увеличению коэффициента поглощения инфракрасного излучения в 1,2-1,5 раза для коррозионно-стойкой стали и в 2,5-2,8 раза для технического железа. Поглощательная способность возрастает в 2-2,5 раза при использовании в качестве покрытия мелкой металлической пудры или специальной краски с высоким значением коэффициента поглощения.

Изменение топографии поверхности с целью повышения эффективности лазерной обработки не всегда представляется технологически оправданной операцией, тогда как использование различных поглощающих покрытий, существенно увеличивающих эффективность лазерной обработки, в особенности, если последняя осуществляется при сравнительно низких температурах (Т < Т _пл),является безусловно оправданным. При операциях лазерной поверхностной термообработки, особенно гладких шлифованных поверхностей, применение поглощающих покрытий становится в большинстве случаев обязательным условием.

Кроме рассмотренных выше факторов (состояние и форма поверхности) на поглощательную способность металлов влияют характер распределения плотности мощности в фокальном пятне, направленность облучения, угол сходимости лазерного луча и др. Однако решающее влияние на поглощательную способность оказывает уровень плотности мощности лазерного излучения в зоне обработки.

Основные виды лазерной обработки можно расположить в следующей последовательности по количеству энергии, вводимой в единицу объема обрабатываемого материала: поверхностная термообработка, лазерная сварка, газолазерная резка. Между этими видами лазерной обработки нет определенной количественной границы, но качественный анализ процессов можно провести с общих теплофизических позиций.

Характер и эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяются плотностью мощности лазерного излучения в зоне обработки. При Е = 10⁸÷10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала до некоторого температурного стационарного состояния, при котором не происходит заметного испарения или разрушения материала. В данном случае можно принять, что на поверхности обрабатываемого тела действует в зависимости от степени концентрации излучения точечный или распределенный источник теплоты плотностью мощности

. (3.3)

Такой источник нагрева обычно используется для термической обработки поверхностей с оплавлением и без него, наплавки, легирования, а также для сварки металлов небольшой толщины. Значение коэффициента поглощения для различных металлов в процессах лазерной наплавки и сварки малых толщин оказывается ниже (А ≤ 0,35), чем при термообработке с использованием специальных поглощающих покрытий. Следует отметить, что для расчетной оценки температурных полей в этих случаях можно использовать соответствующие выражения, полученные решением линейного уравнения теплопроводности.

Необходимо иметь в виду, что для металлов имеет место пороговое значение плотности мощности Е*,определяющее нагрев при лазерном воздействии без разрушения. Характерный уровень Е*,после превышения которого начинаются активное плавление, испарение и разрушение материала, для большинства металлов составляет
10⁹-10¹¹ Вт/м² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. Ориентировочные значения пороговой плотности мощности для ряда материалов при лазерном облучении их на воздухе по данным приведены в табл. 3.3

Таблица 3.3

Пороговые значения плотности мощности излучения

для различных материалов

Материал	Ag	Al	Au	Cr	Cu	Fe	Mg	Феррит
Е* ∙10^-10, Вт/м^2	6,4	2,4	3,5	0,22	2,6	0,3	0,97	0,04

Если лазерная обработка будет осуществляться при значительном превышении Е над Е*, то установится режим стационарного разрушения. В этом режиме основная доля поглощенной энергии расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель. При этом теплота, затрачиваемая на плавление материала, относительно мала, вследствие чего жидкая фаза в зоне воздействия практически отсутствует. Такой режим оказывается слишком жестким для сварки, но весьма подходит для лазерной резки материалов и получения отверстий.

Эффективность лазерной резки значительно возрастает при дополнительном воздействии на зону обработки вспомогательными газами (O₂, Ar, CO₂, N и др.), формирующими узкий рез с практическими параллельными кромками. В основном коэффициент поглощения A = 0,5…0,6, а иногда приближается к 1 вследствие эффекта пристеночной самофокусировки. Последний заключается в том, что при многократном отражении лазерного излучения от стенок глубокого и узкого канала происходит периодическое увеличение плотности мощности по оси пучка и, как следствие, дополнительное углубление канала. В ряде случаев предельные значения коэффициента поглощения не зависят от физических свойств металла, состояния его поверхности и химического состава среды. При значения плотности мощности, несколько ниже порогового уровня (Е @ 10⁹…10¹⁰ Вт/м²), существенно увеличивается объем жидкой фазы в зоне обработки в связи интенсивным подплавлением стенок канала по всей глубине. В результате этого в канале образуется сварочная ванна.

При перемещении лазерного луча под действием давления паров и разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны расплавленный металл вследствие их различных температур оттесняется по боковым стенкам канала в хвостовую часть ванны. В результате кристаллизации образуется сварной шов.

Вызывает интерес распределение энергии лазерного излучения в наиболее общем случае установившегося режима проплавления (рис. 3.2).

Связь между основными источниками энергии и различными видами энергозатрат может быть установлена с помощью следующих уравнений баланса:

где Q _л – энергия сфокусированного лазерного излучения; Q _ф – энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри кратера и над его поверхностью; – энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением плазменного факела; – часть энергии факела, поглощаемая стенками и дном кратера в результате конвективного и лучистого теплообмена; Q _отр – энергия лазерного луча, отраженная от поверхности основного металла и дна кратера; Q _разр – полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струей; – энергия лазерного луча, поглощенная в процессе фотон-электронных соударений на стенках и дне кратера; Q _в – полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Q _т– энергия, отводимая в глубь основного и переплавленного металла вследствие теплопроводности.

Рис. 3.2. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла
сфокусированным лазерным излучением:

1 – сфокусированный луч лазера; 2 – основной металл; 3 – кратер; 4 – жидкий металл;
5 – переплавленный металл (сварной шов); 6 – плазменный факел

Эффективность передачи энергии лазерного излучения обрабатываемому материалу определяется значением эффективного коэффициента поглощения, который фактически характеризует эффективный КПД процесса лазерной обработки. Приближенное значение этого коэффициента может быть получено из системы уравнений (3.4)

. (3.5)

Особенностью лазерного источника нагрева является возможность регулирования в широких пределах величины вводимой в материал энергии. Это позволяет применять один и тот же источник нагрева для разнообразных технологических операций, связанных с нагревом, плавлением и испарением материалов.

Для правильного определения возможностей и областей применения лазерной обработки ее классифицируют по энергетическому и технологическому признакам.

Для классификации по энергетическому признаку используют такие параметры как плотность мощности и время воздействия излучения.

Плотность мощности Е = (4 Р)/(p d ²),где Р – мощность лазерного излучения, Вт; d – диаметр пятна нагрева, см.

Время воздействия непрерывного излучения t = d / v,где v – скорость перемещения источника, см/с.

На основе анализа многочисленных теоретических и экспериментальных данных оценки тепловой эффективности различных процессов лазерной обработки можно установить соотношение между плотностью мощности и предельной температурой в зоне обработки при непрерывной генерации излучения.

В современной лазерной технологии используют плотности мощности от 10⁸ до 10¹² Вт/м². В указанном диапазоне можно установить соответствие между ориентировочными значениями температур предельного состояния, значением плотности мощности излучения и характерным уровнем вычисленного или измеренного экспериментально эффективного коэффициента поглощения. В результате такого анализа построена упрощенная температурная диаграмма тепловой эффективности процессов лазерной обработки (рис. 3.3).

Представленная на рис. 3.3 диаграмма позволяет для соответствующего вида лазерной обработки оперативно провести предварительную оценку тепловой эффективности по значению плотности мощности излучения.

Дальнейший анализ тепловых процессов можно провести по той или иной теплофизической модели, используя полученное значение эффективной тепловой мощности источника теплоты.

Наиболее просто вычисляются температурные поля в предположении линейного характера дифференциального уравнения теплопроводности с принятием ряда допущений. Основные расчетные выражения для этих случаев будут рассмотрены ниже.

Рис. 3.3. Упрощенная температурная диаграмма лазерной обработки металлов:

1 – термообработка; 2 – сварка; 3 – газолазерная резка; 4 – прошивка отверстий;
5 – размерная обработка; 6, 7 – прочие виды

Более сложные теплофизические модели на основе нелинейных представлении для описания тепловых процессов при лазерной обработке, а также учитывающих фазовые превращения (плавление и испарение) в данной работе не рассматриваются.

Для импульсных источников время воздействия определяется длительностью импульса лазерного излучения. На рис. 3.4 представлена диаграмма использования методов лазерной обработки, классифицированных по энергетическому признаку, для реализации различных технологических процессов.

На диаграмме можно выделить четыре зоны: 1) поверхностного нагрева; 2) плавления; 3) удаления материала; 4) образования плазмы.

При E = 10⁵÷10⁴Вт/см² и t = 10^–4÷10^–3 с происходит только нагрев металла, приводящий к различным структурным изменениям на его поверхности. В этой зоне осуществляются процессы термической обработки – закалка, отжиг. При сокращении времени воздействия (t = 10^–5÷10^–6 с) и увеличении Е на поверхности металла образуются бескристаллические структуры, так называемые аморфные пленки.

При E = 10⁵÷10⁶Вт/см² и t ³ 10^–3 с осуществляются процессы, связанные с плавлением материала: сварка; наплавка; поверхностное легирование; резка.

При E = 10⁷÷10⁸Вт/см² и t = 10^–5÷10^–4 с осуществляются операции, связанные с удалением материала в виде паров или под действием сил реакции паров: пробивка отверстий; маркировка; балансировка; резка в режиме испарения и др.

При Е > 10⁸Вт/см² и t < 10^–3 с технологические операции не осуществляются, так как возникающая над поверхностью материала плазма практически полностью поглощает лазерное излучение, препятствуя прохождению его к материалу. Исходя из данной диаграммы можно выбрать соответствующее оборудование и метод обработки, необходимый для изготовления того или иного изделия.

Рис. 3.4. Диаграмма использования методов лазерной обработки,
классифицированных по энергетическому признаку, для реализации
различных технологических процессов (Е – плотность мощности;
t – время воздействия излучения)

Предельные значения температуры обратно пропорциональны расстоянию R от источника теплоты. Температура на заданном расстоянии R прямопропорциональна интенсивности источника теплоты q и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности l_т. Следует отметить, что температурное поле предельного не зависит от теплоемкости материала с g.

Дата добавления: 2017-02-01