Введение.

В настоящее время на предприятиях машиностроения происходит структурная перестройка, связанная с обновлением номенклатуры выпускаемых изделий, развитием новых технологий и применением современных материалов. В различных отраслях производства возрастает доля технологий, основанных на использовании высокоинтенсивных электрофизических, электрохимических и комбинированных воздействий на обрабатываемые материалы. Особенно интенсивно развиваются лазерные методы обработки материалов. Лазеры находят применение во все более широком диапазоне научных исследований и технологий, в машино- и приборостроении, медицине, космической промышленности и т.д.

В этой учебном пособии рассмотрены физические основы и конструктивные особенности различных лазеров. В современной технологии нашли широкое применение традиционные лазеры, такие как газовые, полупроводниковые, твердотельные. Но для перспективного развития техники и технологий большой интерес вызывают и современные лазеры: акустические, жидкостные, ультраширокополостные, нанокремниевые, которые не нашли еще широкого применения в машиностроении, но обязательно найдут.

Основы формообразования лазерным лучом

 

Лазерная обработка материалов (металлов и сплавов, керамики, пластмасс, древесины) основана на возможности лазерного излучения создавать на ограниченном участке поверхности высокие плотности теплового потока, позволяющие осуществлять при необходимости: интенсивный нагрев материала, расплавление, испарение.

В основе работы оптических квантовых генераторов или лазеров лежит принцип вынужденного излучения. Основное понятие лазера - LAZER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения. Монохроматичность, исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме предопределили широкое применение лазеров.

Большой вклад в изучение физических процессов и технологических особенностей лазерной обработки внесли А.Г. Григорьянц, Р.В. Арутюнян, В.С. Коваленко, И.Н. Шиганов, Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, В.Н. Анисимов, В. С. Жигалов и др.

Лазерная обработка приводит к повышению эксплуатационных характеристик материалов: износостойкости, теплостойкости, твердости и т.д. При этом получается широкий спектр структурных состояний материала: ультрамикрокристаллические структуры, пересыщенные твёрдые растворы, структуры с повышенной гомогенностью, тонкие дендритные структуры, тонкие эвтектические композиции.

В зависимости от плотности мощности излучения (энергии воздействия лазерного луча на материал) и времени воздействия излучения на материал выделяют четыре зоны [1]:

1) образования плазмы (выше кривой 1, показанной на рис. 5.1);

2) удаления материала – область, ограниченная кривыми 1 и 2 (см. рис.5.1); ниже кривой 2 испарения материала не происходит;

3) плавления – область, ограниченная кривыми 2 и 3 (см. рис.5.1); ниже кривой 3 плавление материала отсутствует;

4) поверхностного нагрева – лежит ниже кривой 3.

При >10⁸ Вт/см² и <10^-3 возникает лазерная плазма, поглощающая излучение и тем самым затрудняющая проведение технологических операций.

Различным разновидностям методов лазерной обработки приближенно соответствуют следующие диапазоны плотности мощности излучения и времени воздействия излучения на обрабатываемый материал [1]:

1) лазерная пробивка отверстий, резка в режиме испарения, скрайбирование хрупких материалов, маркировка и другие операции лазерной обработки, связанные с удалением материала в виде паров или под действием сил реакции паров энергии производятся при =10⁶…10⁸ Вт/см² и =10^-5…10^-4 с;

2) лазерная точечная и шовная сварка, сварка легко деформируемых материалов, сварка в труднодоступных местах, наплавка, поверхностное легирование и нанесение покрытий, резка производятся при = 10⁵…10⁶ Вт/см² и ≥ 10^-3 с;

3) нагрев металлов без изменения агрегатного состояния вещества и термическая обработка – лазерная закалка, отжиг, разделение хрупких материалов за счет разрушающих (раскалывающих) напряжений проводятся при плотности мощности излучения = 10⁴…10⁵ Вт/см² и =10^-4 …10^-3 с. При дальнейшем сокращении времени действия излучения на поверхность до =10^-6 с и одновременном увеличении плотности мощности лазерного излучения на поверхности металлов образуются бескристаллические структуры (аморфные пленки).

Рис. 5.1. Классификация методов лазерной обработки по энергетическому признаку

( – плотность мощности лазерного излучения, - время воздействия излучения):

I – методы удаления материала за счет испарения (резка в режиме испарения и др.);

II- пробивка отверстий; III- лазерная резка;

IV- лазерное легирование и нанесение покрытий;

V- лазерная термообработка; VI- лазерная сварка

Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом условно разделяется на следующие стадии (рис. 5.2):

– оптический пробой паров материала или окружающего газа и формирование плазменного факела с температурой до нескольких десятков тысяч градусов, собственное излучение которого может вносить основной вклад в нагрев материала;

– распространение лазерного излучения через плазму, сопровождающееся его поглощением, рефракцией и в конечном итоге трансформацией пространственно-временной структуры лазерного излучения, достигающего обрабатываемой поверхности;

– поглощение и частичное отражение лазерного излучения на поверхности обрабатываемого материала;

– нагревание материала, возникновение термоупругих и пластических деформаций материала давлением паров или плазмы оптического пробоя окружающего газа или жидкости;

– плавление материала на поверхности заготовки, сопровождающееся взаимодействием окружающего газа или паров жидкости и плазмы пробоя с расплавом материала, приводящее к насыщению расплава различными элементами и добавками;

– движение расплава под действием давления паров или плазмы оптического пробоя окружающего газа или жидкости и сил поверхностного натяжения, приводящее к его выплеску, переносу или конвективному перемешиванию;

– охлаждение и затвердевание расплава, сопровождающееся структурно-фазовыми и химическими превращениями, вплоть до образования аморфных структур на поверхности сплавов металлов при оплавлении их поверхности лазерными импульсами.

Рис. 5.2. Процессы, происходящие при лазерной обработке

Таким образом, лазерное излучение, падая на поверхность материала, частично отражается от нее, а частично проникает вглубь материала, поглощаясь в нем и нагревая его на глубине z поглощаемого слоя.

Поглощение лазерного излучения на поверхности материала, его нагрев и распространение тепла. В зависимости от материала заготовки механизмы поглощения света и перехода его в тепло за счет передачи энергии сильно различаются.

В металлах элементарными процессами, сопровождающими акты поглощения фотонов, являются электрон-фотонные n_э.ф взаимодействия с частотой 10⁴ - 10⁹ с^-1, электрон-электронные n_э.э =10¹⁴ , электрон-ионные n_э.и=10¹¹ и ион-ионные n_и.и=10¹³с^-1. Таким образом, вначале разогреваются электроны проводимости (время разогрева t_э =1/n_э.э=10^-14 с), при этом температура решетки практически не изменяется. При значениях времени разогрева t > 10^-11с температуры электронного газа и решетки выравниваются, и с этого момента можно говорить об общей температуре металла. Скорость нагрева металла лимитируется только скоростью ввода энергии излучения n_эф.

В полупроводниках, в отличие от металлов, поглощение света определяется в основном связанными носителями. Сильно поглощать излучение на частоте будут лишь те полупроводники, в которых ( – ширина запрещенной зоны; - постоянная Планка). При валентные электроны будут переходить в зону проводимости в результате внутреннего фотоэффекта. Несмотря на процессы рекомбинации, через ~ 10^-9 … 10^-8 с, уже при плотности мощности > 10⁶ Вт/см² концентрация свободных носителей достигает величины 10²⁰ … 10²¹ см^-3 и механизмы передачи энергии становятся такими же, как у металлов.

В случае поглощение осуществляется существующими электронами проводимости, их постепенный разогрев приводит к дополнительной термической ионизации и появлению новых электронов в валентной зоне, вызывая самоускоряющийся процесс нагревания решетки. При механизм поглощения решеточный и эффективен лишь в дальней инфракрасной области (10…100 мкм).

В диэлектриках поглощение фотонов обусловлено лишь переходами из валентной зоны в зону проводимости (если лежит в ультрафиолетовой или в видимой области спектра), либо переходами между примесными уровнями и зоной проводимости, а также в результате решеточного поглощения (когда лежит в инфракрасной области).

 При воздействии лазерного излучения на материал поглощательная способность не остается постоянной. Например, при облучении импульсным инфракрасным излучением наблюдается постепенное повышение поглощательной способности, что связано с образованием тонкой оксидной пленки на облучаемой поверхности.

Для повышения поглощательной способности поверхности используется:

– повышение исходной шероховатости поверхности;

– создание на поверхности тонкой пленки из неметалла;

– предварительное облучение поверхности лазерным лучом и т.д.

Интенсивность поглощенного излучения изменяется с глубиной в соответствии с законом Бугера: ,

где – интенсивность подводимого лазерного излучения к поверхности материала; – поглощательная способность материала; - коэффициент поглощения света в данной среде.

Поглощение энергии лазерного излучения и переход ее в тепловую энергию в поверхностном слое, происходящий практически мгновенно, приводят к резкому возрастанию температуры материала в зоне лазерного воздействия. В наиболее распространенном в практике лазерной обработки температурном диапазоне от сотен до нескольких тысяч градусов основной механизм передачи энергии от поверхности в глубь материала – электронная теплопроводность. Лучистой теплопроводностью обычно пренебрегают, так как она характерна для температур поверхностного слоя более 10000 ⁰С.

Для конкретных технологических операций используются: простой нагрев, плавление или испарение (см. рис.5.1).

Для определения установившейся (стационарной) температуры для сфокусированного пучка размером используется выражение:

,

где – электронная теплопроводность; – интенсивность (плотность) светового потока.

Для обработки материалов используется фокусировка светового пучка до размеров = 10…20 мкм. Глубина прогретого слоя . Из выражения для стационарной температуры определяется минимальное значение интенсивности поглощаемого света для нагрева этой области до температуры плавления Т = Т _п и в соответствии с этим выбираются режимы обработки.

Плавление и испарение. Для процесса нагрева поверхности без плавления и испарения интенсивность излучения должна быть меньше критической интенсивности , достаточной для достижения на поверхности заготовки температуры Т = Т_п .

Величина для конкретных материалов определяется коэффициентами температуропроводности и электронной теплопроводности и временем, необходимым для достижения на поверхности металла процесса плавления.

Плавление осуществляется при критических интенсивностях несколько меньших, но близких к интенсивностям, при которых достигается испарение поверхностных слоев материала . Интенсивность определяется теми же коэффициентами, что и , и временем, необходимым для нагрева поверхности металла до кипения. Критическая интенсивность излучения, необходимая для осуществления процесса испарения , определяется удельной теплотой испарения материала, длительностью импульса, при котором скорость испарения примерно соответствует скорости распространения тепла, и плотностью материала. Значения критических интенсивностей , и для ряда материалов приведены в табл. 5.1.

Охлаждение и затвердевание расплава, сопровождающееся структурно-фазовыми и химическими превращениями. Процесс лазерной обработки характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, что позволяет в ряде случаев значительно изменить кристаллическое строение обработанных поверхностей вплоть до получения аморфных слоев.

Температура охлаждения (для случая одномерной задачи) в любой точке на оси (ось направлена вглубь обрабатываемого образца) в различные моменты времени > может быть определена:

,

где – коэффициент температуропроводности; – коэффициент теплопроводности; – длительность импульса.

Таблица 5.1

Критические интенсивности лазерного излучения для ряда металлов

Обрабаты-ваемый материал	Длитель-ность импульса	Характеристики материала		Критические интенсивности излучения,
		Температура плавления	Температура кипения
Алюминий	10-3	933	2720	4,1×104	1,5×105	8,3×105
	10-8			1,3×107	4,8×107	2,6×108
Медь	10-3	1365	2868	1,1×105	2,7×105	1,4×106
	10-8			3,6×107	8,6×107	4,5×108
Титан	10-3	1941	3553	3,0×104	5,8×104	3,4×105
	10-8			9,4×106	1,8×107	1,1×108
Хром	10-3	2176	2915	7,6×104	1,1×105	8,0×105
	10-8			2,4×107	3,4×107	2,5×108

В процессе лазерного облучения (во время кратковременной импульсной обработки или быстрого сканирования непрерывно генерируемого лазерного луча относительно образца) в поверхностном слое возникает значительный градиент температур. Вследствие высокой теплопроводности тепловой поток с очень большой скоростью перемещается вглубь материала и создает сильные термические и структурные напряжения. Последние связаны с объемными изменениями при образовании различных фаз в процессе быстрого нагрева и охлаждения. Часть этих напряжений релаксирует, а часть фиксируется в виде очагов микропластической деформации с повышенной концентрацией дислокаций.

Сверхбыстрые скорости охлаждения и большие градиенты температур у облучаемой поверхности приводят к возникновению в зоне лазерного воздействия значительных напряжений 1-го рода. Предельно малое (менее 1 мс) время пребывания металла в зоне высоких температур и полное отсутствие разогрева основной массы материала чрезвычайно затрудняют релаксацию напряжений, возникающих в процессе лазерной обработки. В результате этого в поверхностном слое фиксируются значительные остаточные напряжения. Отрицательное действие остаточных (особенно растягивающих) напряжений заключается в том, что они могут явиться причиной образования трещин в металле.

В зависимости от природы металла или сплава в нем возникают два вида напряжений. Термические напряжения в зоне лазерного воздействия имеют место при отсутствии в металле при нагреве и охлаждении полиморфных или фазовых превращений. В металлах и сплавах, претерпевающих с изменением температуры полиморфные или фазовые превращения, при которых изменяется объем структурных составляющих, наряду с термическими присутствуют и структурные напряжения. Такими материалами являются стали, в которых –превращения сопровождаются значительным изменением объема. В углеродистых сталях знаки структурных и термических напряжений противоположны. В каждом конкретном случае знак и величина остаточных напряжений зависит от режима облучения, марки стали, степени пересыщения углеродом мартенсита, образующегося при –переходе.