Файл: Применения лазеров..pdf

304 Л. А. Вивер

полное представление об используемой в промышленности лазерной технике.

Чтобы не повторять содержание этих обзоров, мы уде­ лим особое внимание ряду более общих вопросов обработки материалов концентрированными источниками излучения. Лазерный луч и электронный пучок рассматриваются как эквиваленты, так как они обеспечивают высокие плот­ ности энергии. Для многих применений действие падающего потока излучения можно проанализировать путем решения соответствующей классической задачи теплопередачи на сравнительно простой физической модели.

5. 1. Отражение излучения от поверхности

Многие материалы могут оказаться непригодными для лазерной обработки вследствие их высокой отражательной способности. В табл. 3 приведены значения номинальной отражательной способности некоторых материалов на дли­ нах волн интересующих нас лазеров [1]. Из таблицы видно, что значительная часть металлов хорошо отражает излу­ чение на длине волны 10,6 мм и лишь несколько процентов падающей энергии поглощается поверхностью. Поэтому С02-лазеры обычно считались непригодными для обработки металлов и предпочтение отдавалось твердотельным лазе­ рам на Nd3+ и Сг3+.

Действительно, импульсные лазеры на неодимовом стекле и рубине успешно использовались для сварки не­ больших металлических деталей, при этом сравнительно малое значение коэффициента отражения металлов на дли­ нах волн А = 0,6943 и X= 1,06 мкм было решающим фак­ тором. Из табл. 3 также следует целесообразность исполь­ зования мощных аргоновых лазеров для обработки ме­ таллов.

Качество обработки поверхности и динамика процессов удаления материала оказывают большое влияние на отража­ тельную способность. Так, например, в работе [31] пока­ зано, что коэффициент отражения полированной меди на длине волны А = 0,6943 мкм снижается от 95% до 20% при окислении, а шероховатость поверхности порядка дли­ ны волны значительно увеличивает глубину проникновения энергии. Справочные значения коэффициента отражения

справедливы лишь для холодного металла. Как они из­ меняются в том случае, если начался процесс поглощения энергии? При высокой плотности мощности возникает плаз­ менный факел и эффективный коэффициент отражения рез­ ко снижается. Удаление части материала с поверхности первыми импульсами приводит к образованию кратеров, которые являются своего рода светоловушками для после­ дующих импульсов и увеличивают эффективное поглощение энергии материалом. Следовательно, приведенные таблич­ ные данные для полированных металлов могут быть ис­ пользованы лишь для оценок поглощения гладких неокисленных поверхностей на низких уровнях мощности.

5. 2. Поглощение излучения

Прошедшая через поверхность материала энергия рас­ пространяется в глубь среды, и интенсивность потока І(х) на глубине х определяется законом Бугера

где 1(0) — интенсивность светового потока на поверхности (х — 0); а — коэффициент поглощения в м_1, х — расстоя­ ние (м). Большая часть энергии поглощается в скин-слое толщиной

Можно показать [27], что при нормальном падении света хорошо отражающие материалы имеют большие значения

коэффициента поглощения а. Для большей части металлов в видимой и инфракрасной областях спектра 6 < 0 ,1 мкм,

изначительная часть органических соединений на длине волны к = 10,6 мкм поглощает энергию в слое толщиной менее 1 мкм. Поэтому практически для всех материалов можно считать, что поглощение лазерного излучения проис­ ходит на поверхности и передача энергии вглубь происходит путем теплопроводности. Заметим, что электроны с высокими энергиями проникают значительно глубже в твердые мате­ риалы. Например, при энергиях 150 кэВ глубина проник­ новения в гранит достигает 100 мкм [56]. В этом случае скорость распространения энергии может быть значитель­ но выше, чем за счет теплопроводности, при условии доста­ точно быстрого удаления расплавленного материала с поверхности. При высоких плотностях мощности как ла­ зерный, так и электронно-лучевой источники могут сами обеспечить испарение и разбрызгивание материала (необ­ ходимо лишь достаточно быстро под луч подводить новые поверхности). Из этого следует, что в импульсных режимах

инекоторых задачах размерной обработки простые модели, учитывающие только теплопроводность материала, могут оказаться неадекватными. Однако процессы сварки в им­ пульсном и непрерывном режимах происходят главным образом за счет теплопередачи от облученной поверхности.

Ниже рассмотрены несколько простых моделей, учиты­ вающих передачу энергии путем теплопроводности.

5. 3. Теплопередача от поверхности

Поток тепла в изотропном твердом теле описывается уравнением [14]

где f — направленный поток тепла, Дж/см2-с; К — теп­ лопроводность, Вт/см- К; Г — температура, К. Следова­ тельно, тепловой поток пропорционален теплопроводности и градиенту температуры и направлен в сторону наиболь­ шего спада температуры. Закон сохранения энергии можно записать в виде

(4)

потока тепла в единичном объеме равно скорости увели­

определяет скорость диффузии теплав изотропном веще­ стве. Уравнение диффузии (5) для температуры Т справед­

ливо, как не трудно убедиться, также для потока f

Если учесть плотность мощности источников тепла в твер­ дом теле S (Дж/с-см3), то уравнение (5) приобретает вид

или

^- = Ѵ Г + 5/рс.

Встационарном режиме

ратура в среде равна нулю, а температура на поверхности X — 0 поддерживается равной Т0 для t > 0, можно полу­ чить

308 Л. А. Вивер

Эти функции интеграла вероятности часто встречаются в задачах теплопередачи и теории вероятности и их таб­ лицы приведены в работе [16]. Для координаты х, в которой

В табл. 4 приведены значения температуропроводности и времен диффузии для ряда материалов [31]. Из таблицы следует, что даже у таких материалов, как серебро, харак-

Таблица 4

Расчетное время диффузии тепла (по изотерме Г/То =0,5) на заданную глубину jc для некоторых металлов

терные времена диффузии имеют величину порядка нес­ кольких десятых секунды при толщине 1 см, а хром и ти­ тан, обладающие меньшей температуропроводностью, — порядка десяти секунд. Падающий на границу полубеско-

где F0— плотность потока, Дж/с- см2.

Следовательно, время, необходимое для достижения тем­ пературы плавления на поверхности материала, может быть выражено через плотность потока и характеристики

ления и теплопроводности для ряда металлов, а также расчетное время плавления поверхности. Для плотности потока ІО4 Вт/см2 температура плавления на поверхности достигается через ~0,1 с для Cr, Au и Ag и за —^0,01 с для Ті. Это время обратно пропорционально квадрату плотности потока и уже при F0 w 10е Вт/см2 снижается до