Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

Дифференциальное уравнение энергии для стационарной одно- мерной задачи о теплопроводности плоской стенки без внутренних источников теплоты приводится к виду

∂2T/∂x2 = 0.

Проинтегрировав это уравнение дважды, найдем

∂T/∂x = C1;

T = C1x + C2.

Следовательно, температурное поле однородной плоской стенки при постоянной теплопроводности выражается линейной зависимо- стью температуры от координаты.

Константы интегрирования определяются из граничных условий:

C2 = Tст1 ; C1 = (Tст2 − Tст1 ) / δ.

Подстановка этих условий дает

Заменив константы интегрирования в формуле найденными вы- ражениями, получим уравнение температурного поля.

Определим плотность теплового потока через плоскую стенку. В соответствии с законом Фурье с учетом зависимости T = φ(х), выра- женной формулой (3.2), найдем

Соотношение λ/δ называется тепловой проводимостью плоской стенки, а обратная величина δ/λ – внутренним термическим сопротив- лением.

3.2. Уравнение теплопроводности

Выведем уравнение распространения тепла. Рассмотрим область пространства вблизи точки х = (xl, x2, x3). Обозначим через Т(x, t) тем- пературу среды в этой области в момент времени t. Считая среду изо- тропной, oбозначим через ρ(х), с(х) и λ(x) соответственно ее плот- ность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности в точке х. Обозначим через F(x, t) интенсивность источников тепла в точке х в момент времени t. Если различные точки среды имеют различную

31

температуру, то в этой среде будет происходить естественный про- цесс передачи тепла от участков более нагретых к участкам менее нагретым. Этот процесс передачи тепла можно характеризовать век- тором плотности потока тепла q , направление которого совпадает с

направлением потока тепла в данный момент времени. Величина этого вектора – количество тепла, протекающего за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению по- тока тепла. Экспериментально установлено, что

где – оператор Гамильтона.

Выделим в среде бесконечно малый объем, средняя точка которо- го (xl, x2, x3): dx = dxldx2dx3. Составим баланс тепла для этого объема. Количество тепла, выделяемого в объеме dx за время t, будет

dQ1 = F(x, t)dx∆t.

Количество тепла, израсходованного в dx за ∆t на нагрев этого объема,

dQ2 = cρdx[T(x, t + ∆t) – T{x, t)] = cρdx(∂T/∂t)∆t.

Количество тепла, вытекающего из объема dx за ∆t

Из закона сохранения энергии dQ1 = dQ2 + dQ3, откуда получаем уравнение q + cρ∂T / ∂t = F (x, t ).

Исключая q, получаем сρ∂T/∂t – (k T) = F(x, t).

Если среда однородна, т.е. с, ρ и k – постоянные, то последнее урав- нение принимает вид

∂T/∂t = υ2∆T + f(x, t);

32

υ2 = λcρ, f = F/cρ.

Это уравнение называется уравнением теплопроводности, или урав- нением Фурье.

Для полного описания процесса распространения тепла необходимо задать начальное распределение температуры в среде (начальное усло- вие) и режим на границе этой среды (граничное условие).

Рассмотрим некоторые примеры граничных условий:

а) если на границе S поддерживается заданное распределение темпе- ратуры Т0, то

TS = T0;

б) если на границе S поддерживается заданный поток тепла q, то

–λ∂T/∂nSВ.

3.3. Упрощенная модель воздействия лазерного излучения на мишень

В лазерной тематике для расчетов распространения температур- ных полей и тепла в материале применяется упрощенная модель, ос- нованная на экспериментальных данных. Основная формула этой модели

где h – расстояние (глубина), на которое распространится лазерное воздействие за время t;

а – коэффициент температуропроводности, м2/с;

Используя основную формулу упрощенной модели (3.5), можно определить время прогрева пластины определенной толщины, и, со- ответственно, подобрать необходимую для этого длительность им- пульса излучения.

В рамках упрощенной модели также возможно рассчитать время достижения t определенной температуры Т при воздействии извест- ной плотности мощности q и известных значениях теплофизических характеристиках материала:

33

Критические плотности для плавления и испарения материала:

Рассчитанные по формулам критические плотности мощности ус- танавливают границы между группами лазерных технологий и опре- деляют приемлемую плотность мощности на поверхности материала для каждой технологической операции. Эти сведения приведены в табл. 3.1.

3.4.Поверхностная обработка

Взависимости от соотношения времени воздействия, времени релаксации и плотности мощности лазерного излучения могут иметь место различные взаимодействия излучения с металлической поверхностью. В соответствии с этим разрабатываются разные ме- тоды лазерной обработки материалов.

На рис. 3.2 показаны примерные области режимов лазерной свар- ки, пробивки отверстий и некоторых методов поверхностной лазер-

34

ной обработки: термообработка, аморфизация, ударное упрочнение. Наклонными линиями показаны уровни удельной энергии ε = Eτ. Как следует из диаграммы, процессы поверхностной лазерной обработки характеризуются меньшим уровнем удельных энергий (1...103 Дж/см2) по сравнению со сваркой и пробивкой отверстий (103...106 Дж/см2).

Рис. 3.2. Классификационная диаграмма различных видов лазерной технологий

При воздействии излучением с плотностью мощности Е ~ 108 Вт/см2 и длительностью воздействия τ ~ 10–8 с меньше имеет место ударное упрочнение. Аморфизация поверхности с целью получения тонкого слоя с аморфной структурой проводится в ин- тервале Е = 105...107 Вт/см2 и τ = 103... 107 с и отличается очень узким интервалом режимов, которые ограничены, с одной стороны, воз- можностью испарения металла, а с другой – необходимостью получения большой скорости охлаждения расплавленного металла.

35

При длительности лазерного воздействия τ ~ 10–3 и больше, что значительно превосходит время релаксации, успевает произойти пе- редача энергии излучения «электронному газу» и затем ионам кри- сталлической решетки. Таким образом, весь металл нагревается в микрообъеме как сплошная среда, и лазерное излучение в таком случае следует сравнивать с обычным тепловым источником нагрева, отличающимся высокой концентрацией энергии.

При облучении поверхности лазером в процессе нагрева в мик- рообъемах происходят фазовые превращения, которые можно пред- сказать из диаграмм состояния данных сплавов, при этом можно осуществлять различные методы лазерной термообработки.

Количество существующих методов поверхностной лазерной об- работки существенно больше, чем было показано выше, причем раз- личные методы в ряде случаев трудно разделить по энергетическим или временным параметрам, так как эти параметры перекрываются.

По технологическим признакам можно классифицировать методы поверхностной лазерной бработки (ПЛО) следующим образом.

Методы лазерной термообработки аналогичны обычным мето- дам термической обработки сплавов. Для осуществления лазерной закалки (термоупрочнения) локальный участок поверхности массив- ной детали с помощью излучения нагревают до сверхкритических, а после прекращения действия излучения этот участок охлаждается с высокой скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах и к высокой твердости поверхности.

В случае, когда толщина обрабатываемой детали соизмерима с размерами зоны лазерного воздействия, и условия ускоренного теп- лоотвода не обеспечиваются, имеет место лазерный отжиг. Такая технологическая операция нашла широкое применение в микроэлек- тронике для отжига полупроводниковых материалов, в особенности имплантированных на металлические подложки.

Лазерный отжиг, заключающийся в нагреве лазером закаленных деталей до температур ниже критических, может быть использован для обработки мелких деталей в прибостроении, например, пружин- ных элементов и др.

Оплавление поверхности как технологическая операция начала развиваться с появлением лазерного излучения, и другими методами практически не выполняется. При оплавлении для улучшения каче-

36

ства поверхности (уменьшения пористости или шероховатости) ре- жимы обработки подбирают исходя из требований получения наи- лучшей микрогеометрии поверхности, а скорость охлаждения в этом случае, как правило, не регламентируется. При аморфизации ско- рость охлаждения должна быть максимальной для получения аморф- ного состояния, поэтому глубина оплавления не превышает 50 мкм.

Методы получения поверхностных покрытий – легирование и на-

плавка – отличаются тем, что участок поверхности нагревается выше температуры плавления, в зону оплавления вводят легирующие ком- поненты, и в результате образуется поверхностный слой с химиче- ским составом, отличным от основного металла.

Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материа- ла участка поверхности под воздействием лазерного излучения в ва- кууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке.

Ударное воздействие лазерного излучения может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования физико- химических процессов, например, для формирования р- и n-типов переходов в полупроводниковых материалах.

Инициирование поверхностных химических реакций на поверхно-

сти сплавов с помощью теплового воздействия лазерного излучения или использованием плазменного облака вблизи поверхности пре- следует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений.

Кроме вышеприведенных классификаций методов ПЛО имеются и другие классификации, например по типу физических процессов, возникающих при воздействии излучения на поверхность материала: нагрев, оплавление, испарение, ударное воздействие.

При нагреве возможны закалка, отжиг, отпуск, при оплавлении – аморфизация, наплавка, легирование, рафинирование, улучшение качества, при испарении – вакуумно-лазерное напыление, ударное упрочнение, окислительно-восстановительные процессы и др.

Классификация поверхностной лазерной обработки представлена на рис. 3.3. Рассмотрим каждую технологическую операцию.

37

щиеся внутри материала, не диффундируют к поверхности. Таким образом, лазерная десорбция импульсно-периодическим воздействи- ем может оказаться эффективным средством очистки поверхности. Оптимизацию процесса очистки осуществляют регулированием ин- тенсивности и длительности импульса лазерного излучения. Про- цесс лазерной десорбции рекомендуется осуществлять в вакууме. Наиболее проста схема очистки, когда лазерный луч направляет- ся на материал, помещенный в вакуумной камере, через герметич- ное прозрачное окно.

Известны примеры применения лазерного излучения для очистки поверхностей таких материалов, как кремний, никель от газовых включений (кислород, азот, водород), примесей серы, фосфора и других веществ. В частности, лазерная очистка позволяет полу- чать образцы из атомарно чистого кремния в условиях вакуума за секунды, тогда как подобный эффект в условиях общего нагре- ва образца в вакууме достигается за несколько часов.

Одним из путей дальнейшей интенсификации десорбции газов с поверхности материалов является использование лазерного излуче- ния повышенной плотности мощности с образованием плазмы перед облучаемой поверхностью.

Локальное удаление материала под воздействием лазерного из- лучения используется также для подгонки параметров электронных компонентов при различных технологиях обработки пленочных элементов, широко применяемых в современном приборостроении. Удаление пленок из зоны воздействия лазерного излучения осу- ществляется как в результате испарения, сублимации, так и ска- тывания расплавленной пленки под действием сил поверхностно- го натяжения.

Лазерная очистка поверхностей успешно используется для уда- ления тонких изоляционных пленок с проводников. Для этой це- ли рекомендуется применять излучение СО2-лазера с длиной вол- ны λ = 10,6 мкм, хорошо поглощаемое неметаллическими материа- лами и отражаемое металлами. Высокая производительность про- цесса обеспечивается СО2-лазерами в непрерывном режиме гене- рации излучения. Зачищаемый проводник протягивается в фо- кальной плоскости фокусируемого излучения, обеспечивающего выгорание изоляции. Металлический проводник при этом нагре- вается незначительно, сохраняя свои исходные свойства. Опти- мальная скорость перемещения зачищаемого проводника устанав- ливается в соответствии с мощностью лазерного излучения, мате-

39

риалом изоляции, ее толщиной и диаметром проводника. Для удаления лаковой, стеклянной и другой изоляций с тонких про- водников диаметром 0,05...0,3 мм достаточно использовать мощ- ность излучения Р ~ 10...20 Вт, обеспечивающую скорость зачистки проводов 20… 150 мм/с.

Этот же принцип лазерной очистки поверхностей используется для удаления лакокрасочных покрытий с металлических поверхно- стей различных деталей в процессе эксплуатации, в особенности при ремонтных работах. Здесь также рекомендуется применять излучение СО2-лазера, хорошо поглощаемое лакокрасочными по- крытиями. Сравнительно низкая температура разложения покры- тий обеспечивает высокую эффективность процесса очистки. Ме- таллические поверхности за счет высокой отражательной способ- ности СО2-излучения нагреваются незначительно, тем самым обес- печивается высокое качество очистки.

Применение СO2-лазеров непрерывного действия высокой мощ- ности излучения (1 кВт и более) обеспечивает сплошную очистку ме- таллических поверхностей от разнообразных типов лакокрасочных покрытий. Наряду с этим представляет интерес комбинированное удаление покрытий, когда с помощью маломощного излучения СО2-лазера (Р = 20...60 Вт) предварительно нарушается целост- ность покрытия за счет нанесения надрезов с последующим воздей- ствием химически активных растворителей.

При этом практически неохваченной лазерными методами очист- ки и поверхностной обработки оказалась область реставрации музей- ных экспонатов из металлов. Это касается произведений искусства, предметов быта, оружия, ювелирных украшений, археологических находок, а также исторических памятников.

Следует отметить возможность очистки поверхностей металлов от различных покрытий за счет термораскалывания последних. Этот эффект может быть достигнут при импульсном лазерном воздейст- вии СО2-излучения. Облучаемый участок покрытия быстро нагрева- ется за время импульса до высоких температур, тогда как металличе- ская основа практически остается холодной. Материал покрытия де- формируется от нагрева, увеличивая свои линейные размеры в плос- кости обработки, в жестких условиях на холодной подложке. При этом в месте контакта покрытия с подложкой развиваются большие касательные напряжения. Скорость развития деформаций и напря- жений весьма высокая за счет интенсивного кратковременного на- грева. Это вызывает хрупкое разрушение покрытия при динамиче-

40