Материал: Общая характеристика нагрева материалов

Форма лазерного импульса типична для лазера с модуляцией добротности. В начале импульса начинается испарение с поверхности, после чего образуется плазма, поглощающая падающее излучение. Плоская часть приведенной на рис. 21 кривой соответствует интервалу, в течение которого ЛИ не достигает поверхности. В последующие моменты плазма расширяется и становится прозрачной, в результате чего удаляется дополнительная порция материала. Количество материала, удаляемого лазером с модуляцией добротности, ограничено, поэтому такие лазеры далеко не оптимальны с точки зрения пробивки отверстий и резки материалов.

В экспериментах по исследованию воздействия ЛИ (указанного выше лазера) на поверхности образца из алюминиевого сплава возникало облачко светящихся алюминиевых частиц, которое распространялось от поверхности к лазеру. Фотоснимки облачка, полученные с помощью сверхскоростного фоторегистратора, приведены на рис. 22.

Рис. 22. Выброс испарившегося Al с поверхности, под воздействию импульса СO2-лазера с Ps = 1,5×106 Вт/см2. Пучок падает сверху. Отрыв светящегося облачка через 2,72 нс. Под каждым кадром приведено время в миллисекундах от начала импульса [52]

Из рис. 22 следует, что спустя примерно 1,71 мс после начала импульса облачко начинает отделяться от поверхности вследствие вызываемого им ослабления лазерного пучка.

Приблизительно через 1 мс после этого облачко полностью отделяется от образца, и, начиная с этого момента, на поверхность образца попадает лишь небольшая часть энергии ЛИ.

При этом поверхность перестает испускать светящиеся алюминиевые частицы, а облачко начинает рассасываться и вызываемое им ослабление лазерного пучка снижается.

Тем временем облачко продолжает продвигаться навстречу лазерному пучку и прозрачность его растет. Через 4,54 мс после начала импульса лазерный пучок вновь достигает поверхности и продолжает взаимодействовать с ней вплоть до окончания лазерного импульса (I = =5,14 мс), после чего облачко быстро расплывается и исчезает до начала взаимодействия следующего импульса с поверхностью.

Образцы разных материалов дают сильно различающиеся картины взаимодействия. Для MgO существуют примерно четыре цикла возникновения газового облачка, его отрыва от поверхности, исчезновения и повторного возникновения в течение импульса длительностью 5 мс. Для пирокерамики наблюдается примерно восемь таких циклов, а мишени из графита и сочетания стеклопластика с эпоксидной смолой продолжают взаимодействовать с пучком в течение всего лазерного импульса. Таким образом, оптимальная длительность лазерного импульса зависит от материала облучаемого образца. Если длительность импульса превышает оптимальное значение для образца заданного состава, то энергия лазерного пучка будет тратиться на поддержание волны поглощения, индуцированной ЛИ.

Экранирование поверхности образца высокотемпературной непрозрачной плазмой приводит к возникновению так называемой волны поглощения, индуцированной ЛИ. Эта волна связана с плазмой, которая образуется на поверхности образца и распространяется навстречу лазерному пучку. Возникнув, такая волна эффективно экранирует поверхность образца.

С помощью газодинамических лазеров, обеспечивающих получение импульсов, создающих на поверхности образца плотность мощности 1 - 2 МВт/см2, проведены эксперименты, непосредственно подтверждающие существование волны поглощения, индуцированной ЛИ. Длительность лазерного импульса составляла 5 мс.

С точки зрения лазерных методов обработки материалов (сварка, пробивка отверстий и т.п.) наибольший интерес представляет область, расположенная ниже порога возникновения волны поглощения. В этой области энергия ЛИ тратится на изменение состояния облучаемого объекта, тогда как в области выше порога энергия в основном идет на поддержание индуцированной волны поглощения и других плазменных явлений.

Внешне волна поглощения сопровождается громким звуком и яркой вспышкой света, однако воздействие на поверхность твердой мишени при этом может быть очень незначительным.

На рис. 23 показаны области с различными режимами взаимодействия и отмечены их возможные применения.

Рис. 23. Диапазоны плотности мощности и длительности импульсов ЛИ, пригодные для различных процессов обработки материалов [20]

Так, например, в области «сварка» можно получить разумную глубину плавления материала. В области, расположенной ниже кривой «плавление отсутствует», температура поверхности не достигает точки плавления. Над линией «испарение поверхности» начинается процесс испарения поверхности, и режим сварки в указанной области менее благоприятен.

В области, лежащей слева от области «сварка», глубина проникновения теплового потока слишком мала, тогда как в области, лежащей справа, тепловой поток распространяется на довольно большую площадь. На схеме выделены также области, наиболее благоприятные для резания материалов, пробивки отверстий и удаления части материала (например, удаления небольших количеств материала из тонких пленок при подгонке сопротивлений). В области, расположенной выше линии «образование плазмы», начинают возникать волны поглощения.

Следует отметить, что деление на характерные области не является строго фиксированным и может изменяться в зависимости от параметров материала, длины волны ЛИ и пр. Однако приведенные границы определяют примерное положение областей, в которых наиболее эффективно реализуются те или иные применения лазеров.

В заключение следует отметить, что ряд процессов обработки, связанных с плавлением и пробивкой отверстий, вполне удовлетворительно описываются уравнением Аррениуса, которое связывает темп термально ускоренного процесса lА с температурой:

lА = Аexp (-Ea/kT) Þ lnl = -Ea/kT + lnA,

где Ea - энергия активации, k - постоянная Больцмана (8,672×10-5 эВ/К).

Последнее выражение в логарифмическом масштабе имеет вид рис. 24, откуда энергия активации может быть определена как

Еа = - k ´ крутизну.

Рис. 24. Зависимость термально-ускоренного процесса lА от температуры

Литература

Беликов Б.С. Решение задач по физике. М.: Высш. школа, 2007. - 256 с.

Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука, 2008. - 464 с.

Геворкян Р.Г. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 2007. - 598 с.

Детлаф А.А., Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 2008 - 608 с,

Иродов И.Е. Задачи по общей физике 2-е изд. перераб. М.: Наука, 2007.-416с.

Кикоин И.К., Китайгородский А.И. Введение в физику. М.: Наука, 2008. - 685 с.

Рыбаков Г.И. Сборник задач по общей физике. М.: Высш. школа, 2009.-159с.

Рымкевич П.А. Учебник для инж.- эконом. спец. ВУЗов. М.: Высш. школа, 2007. - 552 с.

Савельев И.В. Сборник вопросов и задач 2-е изд. перераб. М.: Наука, 2007.-288с.

. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекул. физика М.: Наука, 2009. - 551 с.

Трофимова Т.И. Курс физики М.: Высш. школа, 2007. - 432 с. .

. Фирганг Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики. М.: Высш. школа, 2008.-350с

. Чертов А.Г. Задачник по физике с примерами решения задач и справочными материалами. Для ВУЗов. Под. ред. А.Г Чертова М.: Высш. школа, 2007.-510с.

. Шепель В.В. Грабовский Р.И. Курс физики Учебник для ВУЗов. Изд. 3-е , перераб. М.:Высш. школа , 2008. - 614 с.

. Шубин А.С. Курс общей физики М.: Высш. школа, 2008. - 575 с.