Физические основы воздействия лазерного излучения на материалы.

Нагрев, плавление, испарение. Диаграмма температурных областей и диаграмма областей плотности мощности излучения при различных видах лазерной обработки материалов.

Для диэлектриков коэффициент отражения излучения от поверхности при нормальном падении определяется формулой , где n - коэффициент преломления среды на длине волны излучения.

Для металлов формула будет иной , где ω – частота излучения, σ – проводимость металла.

Коэффициент поглощения для λ = 10,6 мкм в % Таблица 3

Рис.17 Зависимость поглощательной способности металлов от длины волны лазерного излучения: 1 – алюминий, 2 - сталь

Рис. 18 Температурная зависимость удельного сопротивления железа и стали:

1-ЭЗХ138, 2 – Ст.45, 3- Ст.У12, 4,5 - Fe

Рис.19 Температурная зависимость коэффициента поглощения излучения СО₂ лазера для чистых металлов: 1 – Pb, 2 – W, 3-Cu, 4 – Al, Au, 6 - Ag

Нагрев.

Одной из основных областей применения лазера в машиностроении является термообработка. На поверхностную термообработку приходится около 70% процессов лазерной обработки материалов.

Плавление.

При лазерном нагревании образца сверху (как правило) гравитационной конвекции нет. Есть конвекция вблизи поверхности, связанная с температурной зависимостью коэффициента поверхностного натяжения. Такая неустойчивость приводит к перемешиванию материала в приповерхностном слое, что важно для лазерного легирования материалов.

Испарение.

При быстром нагревании материала ( , r_л - радиус лазерного пучка, a_Т - температуропроводность материала) фронт кипения догоняет фронт плавления материала и далее вся энергия излучения идет на испарение материала. Это происходит, когда плотность мощности излучения будет больше пороговой.

Рис. 20 Процесс испарения материала с поверхности в воздухе.

I – область дозвукового течения. II - область сверхзвукового течения, III- область турбулентного течения.

Теплофизические константы некоторых материалов Таблица 4

Таблица 5

Пороговая плотность мощности Р* для испарения материалов:

При Р > Р^* основная для поглощенной энергии расходуется на испарение, а на поглощение существенно меньше и жидкой фазы в зоне лазерного воздействия практически нет.