Энергетические условия передачи лазерного излучения при поверхностном легировании

Одной из важнейших характеристик, определяющих термодинамические и кинетические процессы при ЛТО и ЛХТО, является количество энергии, поглощенное металлом при использовании излучения оптического квантового генератора (ОКГ).

При ЛХТО (рис. 59) энергия излучения ОКГ расходуется на поглощение поверхностью Еп, на потери энергии в результате отражения, определяемые оптическими свойствами обмазки (Еп.о.), и на энергию, поглощенную обмазкой и «не дошедшую» до обрабатываемого материала Еобм:

Е=Еп+Еп.о.+Еобм	(28)
Рис. 59. Поглощение энергии при лазерной химико-термической обработке (а) и температурное поле в зоне воздействия лазерного излучения (б); Е - энергия излучения ОКГ, Еп.о.- энергия, отраженная поверхностью; Еобм- энергия, поглощенная обмазкой; Еп - полезная энергия, обеспечивающая оплавление поверхности; Тпл - изотерма плавления; Тmax -максимальная температура поверхности

Инициатором процессов, протекающих при ЛХТО, является поглощенная энергия Еп. Количественно поглощенную энергию можно определять из соотношения

Еп=АоЕ

Коэффициент поглощения Ао зависит от оптических свойств обрабатываемого материала, состояния поверхности и характеристики излучения ОКГ.

Таким образом, количество поглощенной энергии определяет долю полезной для обработки энергии излучения ОКГ и распределение температуры в зоне лазерного воздействия.

Мощность импульса, поглощенная поверхностью металла,

Pн(t)=q(t)/qmax; Рн=Ри-Рп,

где Ри - полная мощность импульса; Рп - мощность импульса, поглощенная обмазкой, содержащей легирующий компонент.

Так как лазерное легирование осуществляется в режиме плавления, то, рассчитав глубину распространения изотермы плавления Тпл, можно определить геометрические параметры зоны легирования, глубину h и диаметр d (см. рис. 59,б).

При расчете глубину зоны плавления определяют исходя из заданной плотности мощности и длительности лазерного импульса (для импульсных лазеров), предварительно приняв, что температура на поверхности в центре луча равна температуре испарения основного металла:

T(x,z,t)=T(0,0,t)=Tисп.

Таким образом, для прогнозирования геометрических параметров зоны лазерного легирования необходимо знать мощность импульса, поглощенную слоем обмазки Рп (или использованную при формировании зоны упрочнения), и мощность импульса Ри.

При взаимодействии нормально-кругового лазерного излучения с полной мощностью импульса Ри, максимальной плотностью мощности в центре пучка qo и диаметром фокального пятна dп с поверхностью металла, покрытой шликерным слоем обмазки, содержащей легирующий элемент толщиной Н, на обрабатываемой поверхности образуется зона легирования со следующими геометрическими характеристиками: диаметр d, глубина зоны легирования h, глубина ванны плавления h1 (рис. 60). Диаметр зоны легирования всегда меньше, чем диаметр лазерного луча, что объясняется неравномерностью распределения плотности мощности излучения по сечению светового потока, имеющего максимальное значение в центре пучка (qo), и уменьшающегося по мере удаления от центра по закону Гаусса.Если в центре луча полная мощность импульса Ри и плотность мощности qo, а Рп -

Рис. 60. Принципиальная схема воздействия лазерного излучения с поверхностью металла, покрытой слоем обмазки: Ри - полная мощность импульса: Рп - полная мощность импульса, поглощенная обмазкой; qo- максимальная плотность мощности; qп- плотность мощности, поглощенная обмазкой; dп - диаметр фокального пятна; d - диа­метр зоны легирования; h - глубина зоны легирования; h1 - глубина зоны плавления; h2 - толщина наплавленного слоя; Н - толщина слоя обмазки

мощность импульса (qп - плотность мощности), поглощенная обмазкой, так называемая пороговая мощность импульса пробоя обмазки, то соответствующие значениям Ри и Рп гауссовские распределения энергии имеют вид, показанный на рис. 60.

Разности (Ри - Рп) и (qо - qп) определяют полезную -энергию, использованную при легировании. Касательная аb к гауссовскому распределению поглощенной мощности Рп по точкам пересечения а и b с гауссовским распределением полной мощности импульса дает диаметр зоны легирования.

Таким образом, найдя пороговую мощность импульса пробоя об-мазки Рп можно прогнозировать геометрические параметры зоны легирования. Эта энергия (мощность импульса) является функцией термодинамических и оптических характеристик материала обмазки, а также толщины слоя обмазки Н.

Определение пороговой плотности мощности для шликерного слоя обмазки заданной толщины легко решается экспериментальным путем. Для этого достаточно найти мощность импульса, при которой происходит пробой шликерного слоя, но еще отсутствует воздействие лазерного излучения на поверхность металла.

Дата добавления: 2014-01-04