2. Лазерное разрушение поглощающих материалов

2.5. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения

Использование лазерных технологий, как и многих других, во многих практических случаях ставит своей конечной целью разрушение материала. Так, наиболее распространенной в машиностроении при традиционной обработке металлов операцией является резание.

При воздействии лазерного излучения с плотностью мощности, превосходящей некоторое критическое значение , по прошествии некоторого времени, зависящего, в основном, от свойств материала, материал начинает разрушаться. Следует отметить, что термин "разрушение" при воздействии лазерного излучения на материалы достаточно условен. Это связано с тем, что процесс разрушения является многостадийным. Кроме того, как непосредственно в зоне облучения поверхности, так и в области, прилегающей к поверхности материала, протекают физические процессы, вызывающие необратимые изменения в веществе, обусловленные процессами диффузии, адсорбции и десорбции, генерации дефектов и т.п. Следует отметить, что в окончательный процесс разрушения материалов вносят вклад предшествующие этапы, которые протекают при нагреве металла до температуры разрушения.

На первоначальных стадиях разогрева следует отметить вклад в процессы разрушения следующих факторов: инициируемых лазерным излучением термодеформаций (упругих, пластических и вязкоупругих), химических реакций (окисление и разложение), стимулирование миграции дефектов в глубь материала и т.п.

При достижении в зоне воздействия температуры плавления кристаллические материалы расплавляются и в глубь материала начинает перемещаться фазовая граница жидкость - твердое тело. При продолжении воздействия лазерного излучения происходит дальнейшее повышение температуры, вплоть до следующей критической температуры разрушения – кипения, при которой начинается испарение. Скорость испарения достигает своего максимального значения при стационарной температуре испарения, когда скорость фазовых границ плавления и испарения совпадают.

Отметим, что процессом разрушения можно управлять не только изменением плотности мощности лазерного излучения и временем воздействия его на материалы, но и состоянием поверхности материала, поскольку его поглощательная способность зависит от температуры, состояния парогазовой плазмы вблизи поверхности и т.д.

2.1. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов.

При лазерном воздействии в обрабатываемом материале в результате формирования локального теплового поля и отсутствия свободного расширения нагретых областей материала возникают термонапряжения. Эти напряжения могут превысить предел прочности материала и привести к его разрушению, что часто происходит при лазерной обработке стекла и других хрупких материалов. Величина термонапряжений, возникающих при лазерной обработке, определяется локальным перегревом и упругими и реологическими свойствами материала. На величине напряжений сказывается также локальное изменение объема, связанное с изменением структуры материала при нагревании. Обычно это дополнительное изменение объема учтено в экспериментально определенной зависимости коэффициента теплового расширения от температуры.