Особенности стадии разрушения при нестационарном испарении

В настоящее время все более широкое применение в технологии получают импульсные лазеры с высокой частотой следования импульсов (на АИГ – до 100 – 200 Гц, СО₂ – лазеры до 1000 Гц и более). При этом импульсы излучения имеют такую энергию и длительность, что разрушение материала происходит на глубину не более диаметра зоны облучения. Например . Требуемая глубина лунки получается при воздействии серии импульсов. При этом очень часто получается, что в течение импульса процесс испарения не успевает стать квазистационарным. Поэтому для анализа процесса разрушения в этом случае надо рассматривать общую задачу о нагреве с испарением, когда в течение импульса изменяются и температура и скорость испарения. Математически эта задача описывается следующей системой уравнений.

Решение этих уравнений позволяет определить закон изменения температуры и скорости испарения. Качественно имеют следующий вид.

 

Из графиков видно, что отличительной особенностью процесса нестационарного испарения является наличие двух времен установления квазистационарного процесса: по температуре и по скорости . Причем - времени нагрева до без учета затрат тепла на испарение.

Для определения зависимостей можно пользоваться следующими приближенными выражениями:

Отсюда моет быть получена зависимость глубины испарения от времени:

Изменение этих величин удобно рассмотреть графически:

Из графиков видно, что время установления процесса квазистационарного испарения по скорости существенно превышает время . Если принять, что время - есть время, когда скорость достигнет 90% от (), Тогда

К этому моменту времени глубина испаренного слоя составляет

Простейший интерес представляют численные значения .

 

q Вт/см2	,с
Алюминий	Сталь
106 107 108	1,8 10-3 3,1 10-5 2,7 10-7	8,8 10-4 1,4 10-5 2,7 10-7

 

Из таблицы видно, что даже при больших плотностях мощности, это время может быть значительным. Поэтому на практике часто приходится сталкиватся с режимами нестационарного испарения при лазерной обработке материалов.

Завершая рассмотрение физических процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом можно сделать следующие выводы.

При воздействии лазерного луча на поверхность материала происходит поглощение излучения тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей микрона. В этом месте энергия излучения (т.е. фотонов) выделяется в виде тепла. При этом в зависимости от плотности мощности излучения наблюдаются следующие физические эффекты:

- при плотности мощности порядка 10⁵ Вт/см² начинается плавление металлов,

- при плотности мощности порядка 10⁶ - 10⁷ Вт/см² одновременно сплавлением наблюдается интенсивное испарение материала с образованием отверстия или разреза,

- при плотности мощности порядка 10⁹ Вт/см² излучение ионизирует пары вещества превращая их в плазму, которая преграждает доступ излучения к поверхности материала. Это означает, что интенсивность не должна быть чрезмерно большой.

Физические эффекты зависят также от длительности одиночного лазерного импульса:

- сек энергия излучения поглощается за короткое время и зона расплава не успевает распространится в глубь материала и большая часть энергии расходуется на испарение,

- сек – даже при наличии испарения материала значительная часть излучения расходуется на расплавление, так как тепло успевает распространиться в глубь материала за счет теплопроводности.

На основе полученных физических представлений о взаимодействии лазерного излучения с веществом рассмотрим отдельно различные лазерные технологические процессы.

1. Сварка

В лазерной сварке используется явления: стадии нагревания без разрушения и с частичным разрушением. То есть под действием лазерного излучения происходит плавление материалов свариваемых деталей, затем его остывание с образованием сваренного шва (неразъёмного соединения).

 

Особенности плавления металлов под действием лазерного излучения.

Плавление твердого тела и переход его в жидкое состояние представляет собой нарушение дальних связей в решетке. Это происходит из-за увеличения межатомных расстояний вследствие теплового расширения. Обычно плавление вещества происходит при такой температуре , когда амплитуда тепловых колебаний атомов относительно положения равновесия достигает 0,2 – 0,3 межатомного расстояния.

Важным практическим вопросом лазерной сварки является определение максимальной глубины проникновения металла при сварке без выплеска. Выплеск возможен, когда начнется испарение. Поэтому максимальная температура поверхности расплава не должна превышать температуру выплеска (кипения)

Для определения можно воспользоваться выражением для определения (при ). Это выражение было рассмотрено на предыдущих лекциях при изучении стадии нагрева вещества без разрушения.

При определении предполагается, что температура в центре сфокусированного пятна радиусом равна температуре кипения , а на глубине равна . Тогда можно получить:

Из полученного выражения видно, что отношение для заданного материала имеет вполне определенное значение:

 

Материал	Al	Cu	Fe	Сталь	Ag	Au
	1,68	0,96	0,68	0,7	0,91	1,06
, C
, С

 

Исходя из приведенных ранее соотношений, рассмотренных в разделе стационарные режимы, стадии нагревания без разрушения, можно указать, что максимальное проплавление можно получить при длительности воздействия:

и при плотности мощности:

Однако, для получения максимальной глубины проплавления необходимо обеспечить изменение температуры на поверхности и плотности мощности излучения по определенному закону.

При этом температура должна быстро возрастать до некоторого максимального значения и поддерживаться на постоянном уровне . При этом происходит постоянное продвижение фронта плавления в глубь материала.

Требуемые законы изменения температуры и плотности мощности во времени могут быть представлены графически:

 

Из рисунка видно: для реализации требуемого закона изменения температуры плотность мощности излучения должна быстро возрастать, достичь максимального значения при на уровне , а затем уменьшатся по закону

Такой характер изменения плотности мощности во времени является оптимальным. Однако на практике не просто обеспечить оптимальный закон изменения плотности мощности. Чаще изменение q во времени имеет характер прямоугольного импульса. В этом случае глубина проплавления снижается приблизительно на 30%.

 

Режимы проплавления и их физическая картина при лазерной

сварке.

Различают три основных режима проплавления материала при лазерной сварке, которые можно проиллюстрировать с помощью рисунков.

Начало противления Максимальное Охлаждение и

проплавление образование шва

1 и 2 - соединяемые детали.

а) q_o=lO⁵-lO⁶ Вт/см². Происходит проплавление за счет теплопроводности без испарения
вещества. Процесс протекает в соответствии с теми теоретическими соображениями,
которые изложены в предыдущем вопросе и при рассмотрении стадии нагревания
взаимодействия лазерного излучения с веществом Зона проплавления близка к
сферической.

б) q_o =5* lO⁵ -5* lO⁶ Вт/ см². Проплавление материала сопровождается испарением вещества с поверхности. Под давлением пара поверхность расплавленного металла прогибается. После прекращения действия излучения ещё не застывший металл заполняет образовавшиеся углубления. В результате прогиба поверхности глубина проплавления увеличивается по сравнению с предыдущим режимом (это важное преимущество). Форма зоны проплавления становится конической. Увеличение глубины проплавления происходит из-за перемешивания верхних (нагретых) и нижних (более холодных) слоев расплавленного металла.

 

в) qo=lO⁶-lO⁷ Вт/см² и более. Проплавление материала сопровождается его испарением и выплескиванием. В месте воздействия лазерного излучения возникает отверстие. Металл (расплавленный) вытесняется к стенкам отверстия на периферию пятна излучения. После окончания воздействия излучения расплавленный металл заполняет отверстие. На поверхности образуется углубление. Форма зоны проплавление - коническая. Глубина проплавления ещё больше увеличивается.

На практике в зависимости от конкретных условий применяются все три режима проплавления.

Методы лазерной сварки, влияние характеристик излучения на

результаты сварки.

В настоящее время в промышленности широко применяются различные виды сварок: электродуговая, электроконтактная (импульсная), электроплазменная, ультразвуковая, сварка трением, электроннолучевая.

Лазерная сварка обладает следующими особенностями по сравнению с существующими методами:

1) Она обладает более высокой концентрацией энергии. По этому показателю в лазерной сварке приближается только электроннолучевая.

2) Она не требует применения в вакуумных камер, что обязательно необходимо для
прогрессивной электроннолучевой сварке.

3) Она может быть использована для соединения элементов конструкций любых
габаритов в зависимости от мощности излучения.

4) При лазерной сварке отсутствует механическое воздействие, электрический контакт,
зона термического влияния имеет минимальные размеры.

5) Лазерная сварка обладает простотой транспортировки энергии лазерного луча в любую
точку пространства. Это позволяет выполнять сварку в труднодоступных места

1 - сферическое

фокусирующее зеркало

2 и 3 - свариваемые детали

6) Уникальным свойством лазерной сварки является возможность подвода энергии к свариваемым деталям через любую пропускающую излечение среду, в том числе прозрачные твердые материалы. Появляется возможность применения технологических газовых и жидких сред, контактирующих с поверхностью свариваемых деталей и повышающих эффективность сварки. Например, это можно делать при сварке внутри замкнутых объёмов с прозрачными окнами или оболочками.

7) Лазерная сварка, как правило, обеспечивает наивысшую механическую прочность сварного соединения.

Различают два вида лазерной сварки: 1) Импульсная

2) Непрерывная

Импульсная сварка.

Импульсная лазерная сварка выполняется с помощью лазеров импульсного действия. При этом сварное соединение обычно получается точечным (т.е. точечная сварка), но может быть получено и шовное соединение. До настоящего времени лазерная импульсная сварка применяется в промышленности, преимущественно для соединения деталей малых толщин. Она наиболее распространена в полупроводниковой и микроэлектронной технике. В сварочных установках такого действия применяются лазеры с энергией излучения W_и= 0,2-100 Дж при частоте повторения импульсов fи = l-150 Гц и при относительно большой длительности импульса tи = 0,l-10мс. (10 ³с)

Характеристиками процесса лазерной сварки являются глубина зоны проплавления h, диаметр зоны проплавления d и прочность сварного соединения Р. Эти характеристики в сильной мере зависят от параметров импульсного лазерного излучения: энергии Wu и длительности t _u, радиуса с фокусированного пятна rф. Зависимость глубины и диаметра зоны проплавления от энергии импульса имеют приблизительно одинаковый характер для разных материалов, rф. и tи. B качестве примера можно привести зависимости для меди при tи = 4 мс, rф = О,25 мм.

 

 

мм

1,4

1,0

0,6

0,2

 

0 2 4 6 8

С увеличением Wи- h и d - возрастает, причем в d< 2 rф.

Глубина и диаметр зоны проплавления определяют прочность сварного соединения. Зависимость прочности сварного соединения от параметров импульса излучения имеет сложный характер и может быть представлена графически.

мм

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2 0,6 1,0 1,4

Из рисунка видно, что при увеличении энергии прочность сначала возрастает. Это объясняется увеличением глубины и диаметра зоны проплавления. Однако, при некотором значении энергии импульса плотность мощности оказывается достаточной для испарения и выплеска расплавленного металла. Это приводит к снижению прочности сварного соединения. Таким образом, существует оптимальное значение энергии импульса, при которой достигается наивысшая прочность сварного соединения. Кроме этого, существует оптимальная длительность импульса. Т.е. наблюдается снижение прочности при слишком коротком и слишком длительном импульсе. В первом случае энергия импульса передается в материал за малое время, т.е. возрастает плотность мощности. В результате увеличивается испарение и выплеск металла. Во втором усиливается рассеяние тепла вследствие теплопроводности, что приводит к снижению глубины и диаметра зоны проплавления.

При использовании импульсной лазерной сварки для регулировки плотности мощности и энергии в пятне излучения широко применяют расфокусировку излучения.

 

 

В этом случае поверхность свариваемых деталей располагают выше или ниже фокальной плоскости фокусирующей линзы. Чаще применяется смещение ниже фокальной плоскости. Если поместить выше фокальной плоскости, то в случае прогиба поверхности расплавленного металла она приближается к фокальной плоскости, плотность мощности возрастает, усиливается испарение вещества и выплеск расплава. Последнее, как правило, нежелательно.

Рассмотрим некоторые способы импульсной лазерной сварки. Импульсная сварка очень часто применяется для сварки проволок из любых металлов диаметром 0,01-1мм. В этом случае применяются различные типы соединений проволоки. Например, встык и внахлест

В первом случае диаметр сфокусированного пятна выбирают примерно равным диаметру проволоки. Во втором случае примерно двум диаметрам проволоки. Если проволоки изготовлены из одинакового материала, то центр светового пятна совпадает с плоскостью станка. При сварке разнородных материалов центр пятна излучения смещают в сторону той проволоки, материал которой имеет более высокую теплопроводность, температуру плавления или коэффициент отражения.

При такой сварке получается качественное соединение даже в том случае, если на проводах имеется лаковая изоляция или между соединяемыми поверхностями имеется зазор.

Импульсная лазерная сварка применяется для соединения проволоки с массивными деталями. Например

 

Импульсная сварка применяется также для присоединения проволочных проводников с тонкопленочным элементом микросхем. Толщина таких пленок составляет 0,3-1 мкм. Пленка наносится на подложку из металла или стекла. Материал пленок- медь, хром, никель, золото и др. Проволочные проводники из таких же металлов имеют диаметр 30-80мкм. При выполнении сварки излучение должно подаваться только на проволоку.

Для этого она оплавляется на конце. Попадание излучения на пленку приводит к ее разрушению из-за малой толщины. Важным преимуществом лазерной сварки в этом случае является возможность визуального контроля качества сварных соединений. Такой контроль при других методах сварки затруднителен.

С помощью импульсных лазеров можно выполнять шовную сварку. В этом случае шов образуется путем наложения сварных точек с некоторым перекрытием. В этом случае показателем технологического процесса является коэффициент перекрытия:

k=dп/d, d-диаметр зоны плавления

В зависимости от назначения сварного соединения коэффициент перекрытия может колебаться в пределах 0,3-0,9.Например при получении герметичных швов для вакуумных устройств . Скорость шовной импульсной сварки может быть рассчитана по формуле

;

где f- частота следования импульсов.

На практике часто стоит задача повышения скорости сварки. При заданных коэффициенте перекрытия и частоте следования импульсов увеличение скорости сварки может быть достигнуто за счет увеличения d. Это может быть сделано путем вытягивания пятна излучения в направлении шва.

 

При этом площадь сфокусированного пятна, а, следовательно, плотности мощности остаются неизменными. На практике это достигается применением фокусирующих оптических систем с цилиндрическими линзами. Такой способ фокусировки позволяет увеличивать скорость шовной сварки в 2-4 и более раз по сравнению со сваркой круглым световым пятном.

Скорость шовной импульсной сварки на практике достигает нескольких метров в мин. Глубина проплавления до 0,7мм.

 

Непрерывная лазерная сварка.

Если применение лазерной импульсной сварки в некоторых отраслях промышленности можно считать решенным вопросом, то разработка и внедрение методов непрерывной лазерной сварки находятся на первоначальном этапе. Возможности сварки лазерным лучём в значительной мере определяются мощностью источника энергии. В настоящее время непрерывные газовые СО2-лазеры мощностью 5-10кВт и более открывают широкую перспективу для использования в машиностроении.

Исследования тепловых процессов при лазерной сварке с помощью СО2-лазера мощностью 5-6кВт показали следующее:

Важным показателем процесса сварки является эффективный КПД процесса

-где -мощность излучения переданная в металл, -мощность излучения;

,т.к. частично луч отражается и рассеивается в окружающее пространство. При лазерной сварке низкоуглеродистой стали , при сварке нового сплава нового сплава . По этому параметру лазерная сварка не уступает дуговой.
другим показателем процесса сварки является термический КПД :

Где -мощность лазерного излучения, идущая на плавление металла при сварке;

,т.к. часть энергии рассеивается за счет теплопроводности, т.е. идет на нагрев металла вблизи сварного шва без плавления.

Термический КПД при лазерной сварке существенно выше, чем при дуговой. Например, при лазерной сварке сталей и титановых сплавов , а при дуговых видах сварки не превышает, как правило, . Это обусловлено тем, что нагрев металла имеет локальный характер из-за высокой плотности лазерного излучения.

Непрерывная лазерная сварка высокое качество сварного шва при высокой производительности процесса. Например, скорость сварки для сталей достигает 2,1м/мин,

для титановых сплавов 3м/мин. Это выше, чем у традиционных методов сварки. Глубина сварного шва может достигать 2 см и более. Рассмотрим влияние различных факторов на различные параметры непрерывной лазерной сварки.

Одним из важнейших параметров сварного соединения является глубина сварного шва. По этому параметру можно судить о предельной толщине свариваемых деталей. Глубина сварного шва зависит прежде всего от мощности излучения. Эта зависимость имеет следующий вид-см. ниже. Она построена по результатам исследования различных материалов.

Из рис.видно, что при Ри>1кВт наблюдается значительное увеличение сварного шва, т.е.глубины проплавления. Это происходит из-за увеличения глубины проникновения лазерного излучения, т.к.наблюдается режим проплавления материала с испарением и выплеском расплава.

 

 

Важным параметром процесса лазерной сварки является скорость сварки, т.е. скорость движения луча по поверхности материала в процессе получения сварного соединения (V).

Этот параметр является показателем производительности лазерной установки при выполнении технологической операции. Скорость сварки зависит прежде всего от мощности лазерного излучения (Pи) и глубины сварки(H). Взаимосвязь этих параметров можно проиллюстрировать графически.

Зависимости V=f(Pи) для нержавеющей стали при использовании CO2- лазеров непрерывного излучения для H=const.

Из рис() видно, что с увеличением мощности излучения Pи скорость сварки возрастает почти по линейному закону. Таким образом, производительность установки при лазерной сварке прямо пропорциональна мощности излучения и теоретически может увеличиваться бесконечно путем увеличения этой мощности. С увеличением глубины сварного шва Н, скорости сварки V заметно уменьшается. Причем связь этих величин для лазерной сварки удобно рассматривать в сравнении с электронно-лучевой сваркой.

 

Рис..Зависимости H=f(V) при Pи=10 кВт=const для нерщавеющей стали.

 

При скорости V=1.2-1.0 (м/мин) глубина сварного шва составляет~70%. Глубины проникновения электронного пучка. Это объясняется образованием поглощающей плазмы при лазерной сварке. При скорости >10(м/мин) различие между лазерной сваркой и лучевой практически отсутствует, т.е. лазерная сварка может успешно соперничать с электронно-лучевой сваркой, но при этом не требуется применение сложной вакуумной системы.

Показателем эффективности процесса непрерывной лазерной сварки является погонная энергия сварки, т.е. затраченной на единицу длины сварного шва. Погонная энергия может быть определена по формуле

(Дж/м), где P-мощность берётся равной либо мощности подводимой к излучателю Pвх, либо мощности потребляемой из сети Рс.

Например: если необходимо сравнить по этому параметру различные виды лазерного излучения, то берётся , если необходимо сравнить различные типы излучателей при одинаковом лазерном излучении, то надо брать ; если необходимо сравнить различные лазерные установки или их высоковольтные источники питания, то целесообразно брать .

Очевидно, что на практике необходимо стремиться к уменьшению этого показателя. Действительно, чем меньше значение We, тем эффективнее используется энергия лазерного излучения(либо энергия подводится к выключателю, либо потребляется из сети). Погонная энергия зависит от большого количества различных факторов: rф, V, H, B, Pи, расфокусировка и др. При этом надо добиваться такого сочетания этих параметров, чтобы значение погонной энергии было минимальным. Решение такой задачи дело непростое, но необходимое при использовании лазерной технологии. Для этой цели удобно использовать методы многофакторного анализа и поиска оптимальных решений.

Повышение эффективности непрерывной лазерной сварки, т.е. снижение We, можно достичь различными технологическими приёмами. Здесь можно привести некоторые примеры.

Существенное влияние на эффективность непрерывной лазерной сварки оказывает состав газовой среды в зоне взаимодействия луча и свариваемого материала(металла). Для иллюстрации можно привести результаты исследования эффективности проплавления стальных пластин при непрерывной лазерной сварке в среде различных газов в виде таблицы. Опыты выполнены при Ри=5 кВт, V=~2 мм/мин.

 

Газ	Н (мм)	Н/В	We*
Не, Гелий	6,1	2,8	1/1,3=0,77
СО2, Углекислый газ	5,1	1,8	1/1,24=0,8
Воздух	4,9	2,1
N2, Азот	4,2	1,9	1/0,94=1,07
Ar, Аргон		0,6	1/0,18=5,55

 

Где - относительное значение погонной энергии, т.е. за единицу принято значение We для воздуха.

Из таблицы видно, что максимальные значения Н-глубины проплавления, Н/В(В-ширина шва) и We получается при сварке в среде гелия, максимальная в среде аргона. При изменении параметров технологического процесса т.е. V,rф, Ри, значения Н, В и We* изменяются, но закономерности представленные в таблице сохраняются.

При лазерной сварке в среде защитных газов часта используют смеси газов. Были выполнены исследования эффективности сварки в смеси аргон-гелий. Было установлено, что при концентрации Не в такой смеси 40%-50% и более погонная энергия снижается до значения, соответствующему чистому Не. Такой результат имеет важное практическое значение, т.к. позволяет снизить затраты дорогостоящего Не на 50%-60% при неизменной эффективности процесса сварки.

Эффективность лазерной сварки зависит от угла наклона лазерного луча к поверхности свариваемых деталей. Наиболее эффективное использование энергии лазерного излучения достигается при угле 70-75%. Эффективность сварки зависит от от конструкции сопла для подачи газовой технологической среды в зону сварки. В этом случае наряду с защитной зоны сварки происходит подавление плазмы и защита фокусирующих элементов от загрязнения порами брызгами металла.

Установлено также, что эффективность лазерной сварки зависит от расположения свариваемых деталей. Например, при вертикальном расположении деталей и качество выше по сравнению с вертикальным расположением луча.

Эффективность и глубина сварки могут быть повышены с помощью присадочного материала подаваемого в зону сварки в виде проволоки или порошка. Это может быть достигнуто также применением сканирования луча.

Увеличение эффективности и глубины сварки достигается также использованием прерывистого луча лазера. При этом частота, длительность, скважность и форма импульсов может быть доведена до оптимальных значений. В этом случае потери энергии на отражение снижаются до минимума, а энергия луча почти полностью поглощается расплавленным металлом без образования плазмы.

В некоторых случаях лазерную сварку необходимо осуществлять с изменением мощности излучения по определенному оптимальному закону(кольцевые и круговые швы).

Результат лазерной непрерывной сварки оценивают по различным параметрам: статистическая прочность свариваемого соединения, статистическая прочность металла шва и различных участков околошовной зоны, ударная вязкость металла шва, наличие дефектов в шве(например, микротрещины, поры, несплавления, несплошности)

В МВТУ им. Н.О.Баумана были выполнены сравнительные исследования дуговой, электронно-лучевой и лазерной сварки различных видов сталей и тщательно очищенных сплавов. Было получено, что при ЛС и ЭЛС в месте шва имеет прочности не выше 96-98% от прочности основного металла. В случае дуговой сварки этот показатель имеет величину 12-15% ниже, чем для ЛС и ЭЛС. Погонная энергия дуговой сварки в 3-6 раз выше погонной энергии лазерной сварки.

 

Сверление отверстий.

При получении отверстий с помощью лазерного излучения используются физические явления, которые наблюдаются на стадии разрушения при взаимодействии лазерного излучения с веществом, т.е. явления интенсивного испарения материала и уноса расплава газовой струёй.

При этом лазерное излучение имеет такие параметры, при которых наблюдается интенсивное испарение материала, но не образуется плазмы.

В настоящее время получили применение два метода лазерной обработки материалов при получении отверстий:

– метод копирования, при котором формируемое отверстие повторяет с той или иной степенью точности форму луча в поперечном сечении,

– метод обхода по контуру, при котором форма обрабатываемой поверхности определяется траекторией относительного перемещения луча и обрабатываемой детали.

Метод копирования.

При таком методе отсутствует относительное перемещение луча и детали в направлении в направлении перпендикулярном оси луча, т.е. излучение воздействует только в одну точку на поверхности детали.

Необходимая форма сечения луча может быть получена с помощью оптических систем с использованием диафрагм, масок и шаблонов. Это позволяет повысить точность круглых отверстий, а также получать отверстия некруглой формы.

Например:

Если в таком случае поставить диафрагму с круглым отверстием, то точность получаемого отверстия существенно повышается.

При использовании метода копирования обычно применяют импульсные лазеры.

Метод обхода по контуру.

Контурная обработка может быть применена для расширения и вырезания отверстий любой формы поперечного сечения.

 

При использовании такого метода обычно используют как импульсные лазеры, так и лазеры непрерывного излучения.

В первом случае непрерывный контур получается в результате последовательного наложения отверстий друг на друга: с некоторым смещением.

Здесь будем рассматривать применение только импульсных лазеров, т.к. применение лазеров непрерывного действия выделено, как самостоятельная технологическая операция – лазерная резка.

Этот вопрос рассматривается далее.

Определение размеров отверстий.

При получении отверстий с помощью импульсных лазеров важно уметь заранее рассчитывать размеры этих отверстий в зависимости от энергии импульса излучения и других факторов.

В процессе лазерной обработки отверстие увеличивается в глубину в основном за счёт испарения, а по диаметру – за счёт плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров. Процесс увеличения отверстия удовлетворительно описывается той математической моделью, основы которой мы рассматривали ранее (при изучении физических процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом).

Используя приведённые там соотношения можно получить следующие формулы для расчёта глубины и диаметра отверстия к моменту окончания импульса излучения, полагая t=t_и и W_и=Р_и·t_и.

все величины известны.

Из формул видно, что глубина и диаметр отверстия зависят от энергии излучения нелинейным образом. Кроме этого существенное влияние оказывает величина tg γ.

При этом практическое значение имеет величина отношения:

 

Из этой формулы видно, что чем меньше tg γ, тем больше h/d. Т.е. отверстие в большей степени увеличивается в глубину, чем в диаметре.

Так-как tg γ≠0, поэтому по мере углубления отверстия происходит расфокусировка пучка излучения, если фокальная плоскость совмещена с поверхностью образца. Это приводит к уменьшению плотности светового потока на дне отверстия. В результате существуют предельные размеры отверстия, которые достигаются при неограниченном числе импульсов с заданной энергией W_и. Эти размеры можно определить следующим образом. Рост отверстия прекращается если плотность энергии на дне отверстия не будет превышать плотности энергии, соответствующей нижней границе разрушения W_s1 . Т.е. можно записать

 

Отсюда

 

Исходя из геометрических построений предельная глубина определяется по формуле

 

 

Для ориентировочных расчётов можно принять W_s1=q₁*· t_и 10³ Дж/см²

Например: W_и=1 Дж (наш лабораторный лазер), r_Ф=2·10^{-3 см,} tg γ=0,2

Получаем d_пред=0,04 см, h_пред=0,2 см.

 

Способы лазерной обработки

материалов при получении отверстий.

Способ многоимпульсной обработки.

Многоимпульсный способ обработки получил наибольшее распространение. При этом получение отверстия достигается путём воздействия не одиночного импульса, а серии из большого количества n импульсов. При этом происходит постепенное (послойное) углубление отверстия до необходимой величины.

Следует отличать три важные особенности многоимпульсного способа обработки.

Первая особенность – Этот способ позволяет получать отверстия серией коротких импульсов с высокой плотностью энергии, период следования которых значительно больше времени остывания материала. В результате резко уменьшается зона термического влияния, а также уменьшается доля расплава в продуктах разрушения. (т.е. удаление материала происходит преимущественно в виде паров). Это позволяет получать отверстия в хрупких материалах без опасности их растрескивания, а также обеспечить высшую точность и качество отверстий.

Вторая особенность – заключается в возм<