Механизмы лазерного разрушения материалов

При воздействии лазерного излучения на вещество в целях осуществления технологического процесса можно выделить три группы факторов, определяющих условия взаимодействия и конечный результат обработки.

I. Группа факторов, связанная с теплофизическими свойствами материала: теплопроводность, теплоемкость; температуры плавления, испарения, фазовых переходов, разложения; плотность; удельные энергии плавления, испарения, сублимации; коэффициент отражения; показа­тель поглощения.

II. Группа факторов, определяющая оптические, энергетические и временные параметры лазерного излу­чения: длина волны и степень поляризации излучения; мощность и плотность мощности; энергия в импульсе; длительность и частота следования импульсов.

III. Группа факторов, характеризующая технологиче­ские условия проведения процесса: скорость перемещения образца; диаметр сфокусированного пучка; угол схожде­ния лучей после фокусирующей системы; род, давление, скорость газа и конструкция устройства (сопла), направляющего поток газа в зону обработки; зазор между соплом и обрабатываемым материалом; положение фо­кальной плоскости относительно поверхности материала.

В зависимости от значений совокупности этих факторов лазерное разрушение материалов может быть основано на различных механизмах: испарении, плавлении с удале­нием расплава из зоны обработки, некоторых химиче­ских реакциях (горении, термодеструкции и др.), термо­раскалывании.

При лазерном разрушении в режиме испарения тем­пература материала в зоне облучения выше температуры кипения и его удаление происходит в виде парокапельной фазы. Этот механизм характеризуется наибольшими удельными энергозатратами и, как правило, осуществля­ется с помощью лазеров импульсного действия в опера­циях сверления отверстий, скрайбирования, гравиро­вания.

При резке в режиме плавления в зоне облучения образуется расплав, который не может быть удален под воздействием избыточного давления паров, что при по­следующем остывании материала приводит к заплавлению образовавшегося канала. Для того чтобы удалить расплав, в область обработки направляется поток газа. Лазерное разрушение в режиме плавления и выдувания требует на порядок меньшего удельного энерговклада по сравнению с режимом испарения.

Ряд материалов (пластики, минералы) под действием лазерного излучения может претерпевать необратимые изменения химического состава с выделением газообраз­ных продуктов реакции и образованием вещества с ины­ми физико-химическими свойствами. Кроме того, лазер­ный нагрев вещества в определенных газовых средах может приводить к развитию экзотермической реакции, служащей дополнительным тепловым источником. В этом случае энергозатраты процесса могут снизиться вдвое по сравнению с предыдущим механизмом.

При облучении хрупких материалов (стекло, керамика и др.) в объеме образца возникают термоупругие напряжения, обусловленные наличием градиента темпе­ратур. Если напряжения превышают предел прочности, то наблюдается разрушение материала, носящее харак­тер растрескивания. Варьируя режимы лазерной обработ­ки, можно добиться управляемого распространения тре­щин вслед за лучом. По сравнению с представленными выше механизмами разделения процесс управляемого термораскалывания требует наименьших уровней мощ­ности излучения и минимален по энергозатратам.

Испарение материала. Механизм испарения при ла­зерном разделении неметаллов является характерным и очень часто реализуется на практике - при лазерной резке органических материалов (как термо-, так и реактопластов), многих видов стекол, минералов и т.д.

Общая картина разрушения материала в режиме испарения может быть представлена следующими явлениями.

1. Поглощение излучения поверхностью и передача энергии твердому телу.Увеличение температуры поверхности до точки кипения проис­ходит настолько быстро, что жидкая фаза не успевает образоваться в значительном количестве.

Электромагнитная волна, падающая на поверхность раздела, испытывает поглощение, рассеяние, отражение и преломление. На основании закона сохранения энергии можно за­писать:

Е₀=Е_R+Е_M+Е_A+Е_T, (12.8)

где Е₀- поток излучения, падающий на поверхность раздела двух сред;Е_R- поток отраженного излучения;Е_A - поток излучения, поглощенного средой;Е_T- поток излучения, преломленного средой;Е_М– поток рассеянного излучения.

Разделив обе части уравнения (12.8) на Е₀, получим закон сох­ранения, выраженный через спектральные коэффициентыR, M, A, T, характеризующие способность излучения соответственно отражаться, рассеиваться, поглощаться и преломляться:

R+M+A+T=1. (12.9)

Использование лазерного излучения для разделения материалов подразумевает взаимодействие его с непрозрачными средами. В этом случае рассеяние и преломление излучения можно не учитывать, а определяющими энергетическую эффективность процесса считать пог­лощение и отражение.

Главными видами поглощения в твердых веществах является собственное, или сплошное, поглощение, возникающее при взаимо­действии электромагнитной волны с кристаллической решеткой, ихарактеристическое, или избирательное, поглощение, обусловленное колебанием и вращением молекул и вызывающее появление полос пог­лощения.

Вещество, в котором распространяется электромагнитная волна, можно рассматривать как динамическую систему, в которой под действием излучения молекулы испытывают вынужденные колебания. В результате того, что часть энергии излучения, проходящего через среду, затрачивается на эти колебания, его интенсивность умень­шается в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

, (12.10)

где Е₀- плотность мощности излучения на входе в поглощающую среду;(z)- показатель поглощения излучения в среде, величина обратная расстоянию, на котором поток излучения ослабляется вeраз.

Значения коэффициента отражения и показателя поглощения оп­ределяются соответствующими механизмами, которые существенно различны для металлов и неметаллов. Если для металлов основным процессом, связанным с поглощением излучения, является взаимо­действие квантов света с электронами проводимости в скин-слое, то, например, для кристаллических диэлектриков поглощение свобод­ными электронами вследствие малого их числа при нормальной тем­пературе незначительно, а процессом, определяющим взаимодейс­твие, являются колебания решетки. Поэтому значение коэффициента отражения и показателя поглощения у диэлектриков существенно ни­же, чем у металлов.

В полупроводниковых материалах механизм поглощения определя­ется соотношением между шириной запрещенной зоны Еи энергией кванта лазерного излученияh(h- постоянная Планка,- часто­та колебаний электромагнитной волны). В зависимости от длины волны излучения в классе полупроводников различают следующие случаи. Сильно поглощают полупроводники, для которыхh>Е, т.е. в области<₀, где₀определяется из соотношения

₀=hc₀/Е,

где с_о- скорость света в материале. В этой области наблюдается собственное поглощение, когда падающие фотоны обладают достаточ­ной энергией для возбуждения электронов, способных перейти зап­рещенную зону. Начальный этап этого случая, связанный с перехо­дом электронов из валентной зоны в зону проводимости (внутренний фотоэффект), когда концентрация свободных фотоэлектронов еще ма­ла, характеризуется процессами, протекающими при холодной решет­ке. В дальнейшем увеличение концентрации фотоэлектронов сверх некоторого значения (~10²⁰см^-3) приводит к существенному внут­реннему поглощению, при котором даже тонкие слои полупроводника становятся непрозрачными. Коэффициент поглощения достигает значе­ний порядка 10⁴ - 10⁵см^-1. Коэффициент отражения также возрас­тает и приближается к значениям, характерным для металлов (0,7 - 0,9).

В области >₀(h<E) коэффициент отражения сначала снижа­ется до малых значений, что соответствует так называемому внеш­нему поглощению, вызванному переходами электронов между примес­ными уровнями и зоной проводимости или валентной зоной. Дальней­шее увеличениеприводит к росту значенийRи, что обусловле­но взаимодействием между излучением и свободными электронами про­водимости.

При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов лазерное излучение частично отражается от нее, а осталь­ной поток излучения проникает на незначительную глубину. Эта энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в приповерхностном слое толщиной 10^-6–10^-7м. Вследствие этого резко повышается электронная температураТ_e, тогда как температура кристаллической решеткиT_iостается неиз­менной.

С течением времени возрастает интенсивность передачи энергии свободных электронов кристаллической решетке. Начиная с времени релаксации _р=10^-9- 10^-11сразность температурТ_e - Т_iстановит­ся минимальной, и тепловые процессы в металле можно охарактеризо­вать общей температуройТ₀. Последующий нагрев металла осущест­вляется по тем же физическим закономерностям, которые присущи традиционным способам теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при лазерной обработке с классических позиций теории теплопроводнос­ти. Процесс распространения теплоты зависит от интенсивности теплового воздействия и, в значительной степени, от теплофизи­ческих свойств материала.

2. Возгонка материала. Разрушение неметаллических материалов, в большинстве своем имеющих сложное химическое строение, происходит в виде последо­вательного, по мере возрастания температуры, испарения отдельных его составляющих.

Испарение твердого тела происходит при любой тем­пературе выше абсолютного нуля, причем тем интен­сивней, чем больше температура. Однако результирую­щая скорость движения границы испарения будет отлич­на от нуля только в том случае, когда испарение веще­ства не компенсируется конденсацией из обратного пото­ка, образующегося при столкновении атомов (молекул) пара между собой и атомами (молекулами) окружающей среды. При облучении твердого тела на воздухе, до тех пор, пока парциальное давление пара меньше атмосфер­ного, отвод испаренного вещества обеспечивается мало­эффективными механизмами молекулярного переноса, прежде всего диффузией в воздухе. В этом случае состояние пара у поверхности испарения близко к насыще­нию, а испарение практически полностью уравновешено конденсацией частей из обратного потока. Таким обра­зом, нижней границей стадии испарения является темпе­ратура кипения, при превышении которой образуются пары, начинающие расширяться под воздействием избы­точного давления. Из условия достижения температуры испарения Т_и на поверхности материала рассчитывается порог начала разрушения. Так как удельная энергия и температура испарения многих неметаллов достаточно низки, режим испарения наблюдается уже при плотно­стях мощности порядка 10⁴ - 10⁵ Вт/см² и легко обеспе­чивается при использовании лазеров непрерывного действия.

При невысоких значениях плотности мощности излу­чения количество испаренного вещества в большей степени определяется теплопроводностью материала, чем его скрытой теплотой испарения. В этом случае чем выше теплопроводность материала, тем меньше масса испаренного вещества. При увеличении плотности мощ­ности достигаются такие ее значения, при которых теплота выделяется настолько быстро, что уже не успе­вает отводиться за счет теплопроводности. При этом основным фактором становится скрытая теплота испаре­ния. Критическая плотность мощности q, при которой происходит переход из области, где теплопроводность является определяющим механизмом, в область, где теп­лопроводность играет незначительную роль и ею можно пренебречь, приближенно определяется соотношением

(12.11)

где L_и - скрытая теплота испарения единицы массы вещества;  - плотность вещества; а – температуропроводность; t – время облучения.

3. Образование эрозионного факела. Удаление пара с поверхности происходит с околозвуковыми ско­ростями в виде струи, направленной от поверхности испарения, в которой вместе с паром движутся сконденсированные капли вещества и другие продукты эрозии, выброшенные со дна и стенок канала (лунки).

4. Возникновение волн давления. В результате появления импульса отдачи в связи с разлетом продуктов эрозии и значительного температурного градиента возникают волны давления и термомеханические напряжения, которые могут привести к механическому разрушению материала. Давление реактивного импульсаΔрможет быть оценено с помощью уравнения Бернулли:

, (12.12)

где _пиu_п– соответственно плотность и скорость движения продуктов эрозии.

Другой механизм возникновения импульсов давления связанс появлением термоупругих напряжений, обуслов­ленных значительными температурными градиентами ~10⁵ - 10⁶град/см. При поглощении лазерного излуче­ния тонким приповерхностным слоем его внутренняя энергия возрастает, и нагретый слой расширяется. Если теплота поглощается относительно медленно, то давление от расширения слоя успевает выровняться, и ударная волна не образуется. Если же тепловая энергия выделяется достаточно быстро (при воздействии микросекундных лазерных импульсов), то может возникнуть волна сжатия, распространяющаяся в объеме образца от зоны облучения.

5. Экранировка поверхности.Пар, истекающий из зоны обработки, может снижать порог плаз­мообразования и приводить к ослаблению излучения, падающего на поверхность. Рассеяние и поглощение излучения происходят также на продуктах конденсации и твердых частицах вещества. Резонанс­ное поглощение наблюдается при совпадении частоты характеристи­ческих колебаний молекул в газах или радикалах и частоты генера­ции лазерного излучения. Явление экранировки обусловливает су­ществование оптимального значения плотности мощности излучения, при котором удельный вынос массы вещества максимален.

6. Автоколебательный режим.При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического значения, характер изменения температуры поверхности существенно отличается от общепринятого: температура поверхности материала не стремится к постоянному значению, а колеблется. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.

Возникновение эрозионного факела и рост глубины канала (лун­ки) носят самосогласованный пульсирующий характер. Поток энергии, доходящий до поверхности материала, зависит от плотности этого факела. При определенной температуре поверхности материала плотность факела достигает значений, при которых лазерное излучение начинает в нем заметно поглощаться. Снижение энергии, поступающей на поверхность материала, снизит количество испаренного вещества и соответственно плотность плазмы в факеле. Поступление лазерной энергии на поверхность вновь увеличится, возрастет количество испаренного вещества и плотность плазмы. Таким образом возникает автоколебательный режим.

Критическое значение потока энергии, амплитуда, частота колебаний зависят от параметров потока энергии, теплофизических характеристик материала, газодинамических характеристик пара и характеристик взаимодействия потока энергии с паром. Частота автоколебаний при этом составляет 10²– 10⁴Гц, а амплитуда колебаний температуры (1 – 5)10²К.

Разрушение в режиме плавления материала.Режим плавления материалов в энергетическом смысле реализуется при меньших плотностях мощности и менее энергоемок по сравнению с предыдущим механизмом. Обычно этот режим применяется при использовании лазеров непрерывного действия.

При плотностях мощности лазерного излучения выше определенного значения материал в зоне облучения начинает испаряться, в результате чего на поверхности образца образуется кратер, глубина которого растет со временем. Температура поверхности достигает температуры кипения Т_кза время

. (12.13)

С увеличением глубины кратера часть энергии, поглощаемой боковыми стенками, будет возрастать. Одновременно плотность мощности излучения, попадающего на дно канала, будет падать. У многих материалов давление паров при температуре плавления ниже атмосферного, поэтому кипение наблюдается в глубоком канале, стенки которого окружены расплавом. При прекращении кипения расплавленный материал, окружающий канал, заливает его, глубина канала уменьшается, кипение возобновляется. В результате может возникнуть такое стационарное состояние, при котором на испарение материала расходуется небольшая доля энергии, необходимая лишь для поддержания существования парового канала и предотвращения затопления его расплавом (при выключении луча жидкость заливает канал, и поскольку объем расплава значительно превосходит объем парового канала, в образце остается лишь небольшое углубление).

В зависимости от условий обработки материала (плотность мощности, энергия, время облучения) можно выделить три режима удаления расплава из образовавшегося канала: режим фонтанирования, режим выплеска жидкости и режим удаления расплава потоком вспомогательного газа. Первые два режима характерны для разрушения материалов под действием излучения импульсных лазеров. Для третьего режима более характерны условия разделения материала излучением непрерывного лазера.

Разрушение хрупких материалов методом лазерного термораскалывания. Под данным механизмом понимается процесс, заключающийся в нагреве образца лазерным излучение и появлением в связи с этим значительных механических напряжений, обусловленных наличием высокого температурного градиента. При превышении этими напряжениями предела прочности в материале возникают трещины, которые при перемещении луча вдоль поверхности следуют за лучом. Необходимым условием появления трещин в материале в термическом отношении является нагрев до температуры, превышающей предел термостойкости, но не доходящей до значений температуры стеклования Т_с. В случае лазерного термораскалывания предел термостойкости ΔТ оценивается выражением

, (12.14)

где σ– предел прочности материала на разрыв;α_Т– коэффициент линейного термического расширения;Е^*- модуль Юнга;ν – коэффициент Пуассона.

Температура стеклования соответствует такому значению температуры, при котором физические свойства материала изменяются наиболее резко. Ниже нее материал находится в твердой, а выше – в жидкой фазе.

Режим термораскалывания характерен для ряда хрупких неметаллов: керамики, ситалла, стекла и некоторых других. Для обеспечения достаточно быстрого разрушения материала необходимо, чтобы напряжения в нем были максимальны. Чем значительнее возникающие в материале механические напряжения будут превышать предел термостойкости, тем больше вероятность его разрушения. Следовательно, градиенты температур, возникающие в хрупком материале под воздействием лазерного излучения, должны быть максимально большими. Температурный градиент определяется двумя факторами: максимальной температурой нагрева и минимальной областью нагрева материала, зависящими от концентрации энергии и от скорости перемещения лазерного луча, которая в данном случае определяется свойствами материала.

Термохимические особенности лазерного разрушения неметаллов. Химическое действие лазерного излучения может быть связано:

- с локальным нагревом, т.е. с увеличением в облучаемой среде числа частиц, имеющих энергию выше энергии активации химической реакции;

- с поглощением фотона молекулой, которая либо диссоциирует, либо возбуждается до уровня, когда реакция ее с другой молекулой требует малой энергии активации (при этом общая температура среды может практически не повышаться);

- с возбуждением радиационно-химических превращений, аналогичных процессам, наблюдающимся при прохождении через среду быстрых частиц, которые образуют ионы, радикалы и возбужденные частицы;

- с макроскопическим разогревом среды.

В материале, на который действует лазерный луч, возможна конкуренция теплового и фотохимического механизмов превращения вещества. Одним из критериев перехода одного механизма в другой является длительность импульса τ_крлазерного излучения: при τ > τ_крв среде преобладают тепловые химические реакции, а при τ < τ_кр– фотохимические.

Под термической реакцией понимается следующая последовательность событий:

1) поглощенное излучение импульсного лазера быстро превращается в тепловую энергию, вызывая скачок температуры;

2) обычные высокотемпературные реакции протекают в ходе охлаждения вещества до комнатной температуры.

В этой модели степень протекания реакции в течение скачка температуры считается пренебрежимо малой.

Фотохимическая реакция протекает до завершения скачка температуры. Распределение молекулярной энергии между реагирующими молекулами во время этого процесса не обязательно равновесное.

В ряде случаев для некоторых веществ, поглощающих лазерное излучение, какая-то реакция может протекать во время скачка температуры, а какая-то - после него. Для смесей реагирующих соединений может случиться, что соединение, поглощающее энергию, реагирует фотохимически, тогда как другие соединения реагируют после скачка температуры.

Химические реакции всегда требуют определенной энергии активации. Это связано с необходимостью сближения реагентов, поскольку такое сближение реагирующих молекул сопровождается отталкиванием, для преодоления которого требуется энергия, отвечающая энергии активации реакции.

В случае воздействия лазерного излучения на материалы органического, в том числе полимерного, строения в облучаемом веществе происходят последовательно или в сочетаниях, зависящих от конкретных условий, процессы фотодеструкции, термической и термоокислительной деструкции, диффузионные и тому подобные процессы, переходящие на макроуровне в чисто механическое разрушение.

Принципиально иным подходом к проблеме химических превращений веществ является возможность влияния не на молекулу в целом, а на ее отдельные связи. Инициированные лазерным излучением молекулы с температурой возбужденного типа колебаний в несколько десятков тысяч градусов могут вступать в направленные химические реакции.

Использование избирательности лазерного света базируется на двух идеях. Первая идея заключается в том, чтобы селективно возбуждать некоторые энергетические состояния, из которых может происходить химическая реакция нужного направления. Вторая идея заключается в избирательном возбуждении смеси веществ, заставляя реагировать только то из веществ, которое испытывает поглощение.