Механизм действия лазерного излучения на металлические материалы

Тема 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Особенностью лазерного воздействия является подвод высококонцентрированной энергии к поверхности обрабатываемого материала и изменение структуры и свойств в тонком поверхностном слое этого материала. В этой связи лазерный луч, как источник нагрева при термической обработке материалов, имеет специфические особенности и преимущества:

1) высокая концентрация подводимой энергии и локальность обрабатываемого участка, вследствие чего процесс отличается минимальным тепловым воздействием на весь материал и минимальными остаточными деформациями в обрабатываемой модели;

2) отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал, что дает возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции;

3) высокая технологичность лазерного луча при обработке: большая скорость обработки, легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д.;

4) возможность подвода излучения с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места, что позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы применить невозможно;

5) возможность изменения структуры и свойств обрабатываемой поверхности в очень широких пределах.

Последняя из перечисленных особенностей подразумевает обработку с нагревом до различных температур (включая обработку с оплавлением и без оплавления поверхности), изменение химического состава поверхностных слоев путем наплавки и легирования, а также возможность получения заданных свойств поверхности: твердости, шероховатости, коррозионной стойкости и т.д.

Изучение закономерностей формирования структуры и свойств различных материалов, в первую очередь металлов и сплавов, при воздействии на них лазерного излучения, а также определение наилучших условий, при которых можно получать оптимальные заданные свойства поверхности, являются целью настоящего раздела.

В зонах лазерного воздействия имеют место явления, свойственные чисто тепловым процессам: нагрев материала в микрообъемах до различных температур, оплавление или испарение этих микрообъемов. Световое давление лазерного луча (или, иначе, пондеромоторное действие) имеет небольшое значение. Сложилась следующая схема взаимодействия лазерного излучения с поверхностью металлов и сплавов. Лазерное излучение, попадая на поверхность металла (сплава), проникает на небольшую глубину порядка 10^-5-10^-6 см. Поскольку масса электронов в металлах на несколько порядков меньше массы атомов, энергия излучения передается прежде всего "электронному газу" и вследствие этого резко повышается его кинетическая энергия и температура. Затем энергия передается атомам кристаллической решетки и ее температура повышается, что может быть описано уравнением

dti / dt = (te – ti) / tр

(6)

где te, ti - температуры решетки в начальный момент и в момент i; tр - время релаксации, т.е. время изменения температуры решетки до ti; оно характеризует скорость передачи энергии излучения кристаллической решетке металла.

Время релаксации - примерно 10^-11 с. В режиме свободной генерации длительность импульса составляет 10^-3 с.

Импульс состоит из ряда пичков длительностью -10^-6 с. Длительность одного пичка на 5 порядков больше времени релаксации, за это время успевает произойти передача энергии "электронному газу" и затем ионам кристаллической решетки. Таким образом, весь металл нагревается в микрообъеме как сплошная среда, и лазерное излучение следует сравнивать с обычным тепловым источником нагрева, отличающимся высокой концентрацией энергии. При облучении поверхности лазером в процессе нагрева и охлаждения в микрообъемах происходят фазовые превращения, и если при этом имеет место упрочнение, то оно классифицируется как упрочнение при фазовых переходах. В частности, для осуществления лазерного упрочнения сталей и чугунов локальный участок поверхности нагревают до температур выше критических (АС₁, АС₃), а после прекращения действия излучения этот участок охлаждается вследствие теплопроводности во внутренние слои металла. Высокая скорость приводит к образованию мартенситных структур в сплавах железа и к высокой твердости поверхности. Процесс получил название лазерной термообработки (ЛТО).

По характеру воздействия ЛТО подобна индукционной закалке, хотя имеет отличия. При индукционной закалке охлаждение ведется водяным душем и скорости нагрева и охлаждения при этом ниже, чем при лазерном нагреве. При лазерной закалке процесс нечувствителен к магнитным свойствам материала; здесь большое значение имеет отражение излучения поверхностью. Имеются и другие отличия.

При воздействии излучением с плотностью мощности q=10⁸ Вт/см² и при времени воздействия менее~10^-8с продолжительность лазерного воздействия приближается к времени релаксации и распространения энергии в глубь металла за счет теплопроводности не происходит. Гигантская концентрация энергии в микрообъеме приводит к переходу вещества в плазменное состояние, возникновению больших давлений (~10⁴МПа) и образованию ударной волны. Испарение материала с поверхности приводит к формированию механического импульса, действующего на облучаемый материал. Действие ударной волны и механического импульса способны пластически деформировать металл в зоне облучения, что приводит к упрочнению. В этом случае упрочнение классифицируется как ударное (рис. 23).

На рис. 23 в координатах q - t отложены примерные интервалы режимов лазерной сварки с кинжальным проплавлением, пробивки отверстий и лазерной обработки поверхности -упрочнения при фазовых переходах, глазурования, ударного упрочнения. Наклонными линиями показаны уровни удельной энергии, равной произведению qt. -

Как следует из диаграммы, процессы лазерной обработки поверхности отличаются меньшим уровнем удельных энергий (1-10^4 Дж/см^2) по сравнению со сваркой и пробивкой отверстий (10^2-10^6 Дж/см^2). Ударное упрочнение в технологии обработки пока не получило распространения из-за присущих этому методу недостатков: наличия кратеров и ухудшения качества поверхности, малых размеров упрочненных зон, низкой.

Рис. 23. Классификационная диаграмма различных видов лазерной технологии по энергетически-временным параметрам: q - плотность мощности; t - длительность воздействия

производительности обработки и др. Мало исследован и другой процесс обработки поверхности - глазурование. Он заключается в оплавлении тонкого приповерхностного слоя (10-20 мкм) металла при большой скорости перемещения лазерного луча. В результате в этом слое формируются мелкокристаллические или аморфные структуры с особыми свойствами, которые интенсивно исследуются.

Дата добавления: 2014-01-04