Файл: Применения лазеров..pdf

значений 10~5—-ІО-6 с. Даже если только 1 % падающей мощ­ ности поглощается материалом, этого достаточно, чтобы при потоках, равных или больших ІО6 Вт/см2, достигалась температура плавления металлов за время менее 0,1 с.

Лучшее приближение к реальным условиям можно получить, если принять во внимание конечный размер области нагрева на границе полупространства. Для кру­ гового источника радиусом а Карслоу и Эйгер [17] приводят решение для точек на оси г, перпендикулярной к плоскости источника и проходящей через центр окружности,

Второй член в этом выражении стремится к нулю при уве­

личении аргумента а / 2 У kиt в пределе выражение (20) совпадает с выражением (18). Оценки показывают, что второй член в формуле (20) дает поправку около 10% для

точным решением (20). Простые оценки температуры по формуле (18) могут проводиться при нагреве непрерывным источником с большим диаметром фокального пятна.

5. 4. Стационарный режим лазерного сверления

Образование глубоких отверстий в материале при дей­ ствии непрерывного источника (лазера или электронного луча) было изучено Клеменсом [43]. Если относительная глубина отверстия велика, отвод тепла определяется в основном его глубиной. Для цилиндрического отверстия

длиной D, внутренним диаметром I и внутренней темпера­ турой Тм температура Т0 на внешней поверхности цилин­ дра диаметром L будет связана с мощностью источника WI соотношением

где К — теплопроводность. В стационарном режиме мож­ но воспользоваться допущением D « L/2 и принять [43], что

Это приближение может быть оправдано тем, что в выра­ жении (21) зависимость от I логарифмическая. Из этого следует, что глубина отверстия при больших отношениях глубины к диаметру почти не зависит от диаметра

Расчетная глубина отверстия при воздействии лазерного луча мощностью в 1 кВт на медь {Тм— 1356 К, К =

==4,0 Вт/см-К) равна 0,151 см.

Втабл. 6 приведены расчетные значения глубины от­

верстий для ряда материалов при температуре окружающей среды 300 К. Из таблицы видно, что при мощности 1 кВт

Т абл и ц а 6

ГРасчетная глубина отверстий в некоторых материалах при заданной интенсивности потока (в предположении большого

отношения глубины к диаметру отверстия)

можно сверлить отверстия глубиной около 1 мм в мате­ риалах с высокой теплопроводностью (Ag, Cu) и глубиной до 16 см в горных породах. Следовательно, для проплав­ ления металлов на глубину нескольких сантиметров необходимы мощности по меньшей мере ІО4 Вт, в то время как в материалах с низкой теплопроводностью отверстия глубиной около 10 см могут быть получены при Wj

>103 Вт.

Следует отметить, что в приведенном приближенном

расчете учитывались потери только на теплопроводность, однако заметная доля энергии может уноситься при испа­ рении материала из отверстия. Эти потери пропорциональ­ ны квадрату диаметра и незначительны только для узких глубоких отверстий. Если мощность луча меньше мощнос­ ти потерь на испарение, то нельзя просверлить глубокое отверстие. В этом случае луч постепенно углубляется в материал, образуя относительно широкую лунку. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока D сравнимо с I, и глубина лунки в этом случае будет определяться скоростью.испарения материала.

При движении луча по поверхности материала со ско­ ростью V (см/с) глубина прорезания уменьшается. Это свя­ зано с тем, что затрачивается дополнительная энергия на расплавление материала в направлении движения луча, и меньшая доля энергии при соответственно меньшей глу­ бине D может быть израсходована на теплопередачу. По

Для металлов обычно К & 1 см2/с и при I та 0,2 см критичес­ кая скорость ѵсж 10 см/с. Для материалов с низкой тепло­ проводностью (например, бетон) К та 0,05 смѴс и ѵс я#

0,05 см/с,

5. 5. Скорость лазерного сверления

При очень высоких плотностях потока (более ІО7 Вт/ем2) потерями энергии, обусловленными теплопроводностью, можно пренебречь. Падающее на поверхность излучение

Лазерное излучение оказалось весьма удобным инстру­ ментом для ряда технологических процессов (сварка мик­ росхем, сверление алмазных фильер, скрайбирование полупроводниковых пластин) [31]. Доступность и экономи­ ческая эффективность надежного лазерного технологичес­ кого оборудования явились одним из важнейших факторов для широкого практического применения лазерной тех­ ники в промышленности. Можно утверждать, что в бли­ жайшие годы появятся еще более производительные, мощные и надежные установки. Импульсные лазеры уже на совре­ менном уровне превзошли по импульсной мощности и яр­ кости все другие источники энергии и можно ожидать даль­ нейшего улучшения их характеристик. Однако средняя мощность лазеров пока недостаточна. Большая часть про­ блем, возникающих при увеличении средней мощности, связана с выходом из строя отдельных элементов при боль­ ших тепловых нагрузках или с распылением электродов в лампах накачки, а также с техническими трудностями кон­

менение в процессах средней и большой энергоемкости. С02-лазеры, по-видимому, в ближайшее время займут особое положение, как только их мощность превысит 10 кВт. Устройства на мощных С02-лазерах вытеснят тра­ диционное оборудование для резания, раскалывания, свер­ ления, нагрева и сварки в тяжелой индустрии. Электронно­ лучевые сварочные машины будут использоваться для вакуумной сварки металлов и С02-лазеры не будут конку­ рентоспособны в этой области. Можно ожидать появления электронно-лучевого оборудования и технологических ус­ тановок на С02-лазерах, которые позволят производить размерную обработку и сварку практически любых мате­ риалов. Источники концентрированной энергии сейчас находятся в стадии бурного развития и обновления, поэто­ му вполне обоснованно можно утверждать, что в ближай­ шие годы для них будут открыты новые области применения.