Взаимодействие лазерного излучения с веществом

 

Падающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучения зависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. В табл. 3.2 представлены зна­чения коэффициентов отражения световых волн от чистых, не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице). Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от чистой поверхности.

 

Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих худшую чистоту обработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверхности стимулируется образование оксидов и других соединений, кото­рые также увеличивают поглощение. Подача в зону обработки ки­слорода или других газов интенсифицирует этот процесс. В ре­зультате можно добиться того, что 20...40 % энергии светового пучка будет поглощено веществом.

Еще большего поглощения энергии лазерного излучения мож­но добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми ко­эффициентами отражения (например, газовой сажи, краски, водо­растворимых полимерных покрытий), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.

Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию электронам вещества, в связи с чем глубина проникания световой энергии в вещество соответствует средней длине свобод­ного пробега электрона, составляющей 5...50 нм для большинства распространенных веществ. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется вследствие теплопроводно­сти. В отличие от электронного луча энергия лазерного излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теп­лоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала.

Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может произвести лишь весьма ограниченные изменения поверх­ности вещества: экспозицию специальных светочувствительных материалов или выцветание некоторых красок. По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения до 10⁴ Вт/см (что достаточно просто и быстро осуществляется путем его фокусиров­ки) возможны нагрев и плавление поверхностных слоев материала. Последующее увеличение плотности мощности приводит к уве­личению глубины проплавления; одновременно начинает все больше проявляться эффект испарения веществ.

При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значений 10⁵...10⁶ Вт/см² доля испаренного вещества начинает рез­ко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещест­ва, которые под действием паров выбрасываются из зоны обработ­ки. Повышение плотности мощности излучения до максимально достижимого значения (примерно до 10⁸ Вт/см² для лучших систем фокусировки луча) приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазы и выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможна субли­мация, т. е. переход из твердого состояния сразу в пар. Схема изме­нения характера взаимодействия светового потока с веществом в зависимости от плотности мощности излучения приведена на рис. 3.11.

 

 

При достаточно высокой плотности мощности излучения в фокальном пятне луча лазера может возникнуть так называемый оптический разряд. Это явление обычно происходит в газах при нормальном давлении и внешне напоминает высокочастотный электрический разряд. Физическая основа образования оптическо­го разряда - возникновение в фокальном пятне термической плазмы вследствие нагрева газа. Неравномерность распределения по объему плазмы заряженных частиц приводит к резкой неравно­мерности распределения электрического потенциала в этом объе­ме и как следствие - к электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрыва и сопровождается яркой вспыш­кой. Поскольку на образование оптического разряда расходуется большое количество энергии лазерного излучения, в ряде случаев это приводит к нестабильности технологического процесса, в частности сварки; поэтому возникновение оптического разряда стараются предотвратить. Для этого чаще всего прибегают к обду­ву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпен­дикулярным направлению луча.

К технологическим преимуществам мощного когерентного ла­зерного излучения следует отнести возможности:

1)передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу);

2)устранения непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки;

3)плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем из­менения фокусировки луча;

4)получения высокой плотности мощности (концентрацию энергии) в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излуче­ния;

5)достижения высоких температур в зоне воздействия излуче­ния;

6)получения как импульсов энергии весьма малой длительно­сти

(до 10^-9 с), так и непрерывного излучения;

7)обеспечения малых зон обработки, размеры которых не пре­вышают нескольких микрометров;

8)оперативного перемещения луча системой развертки при не­подвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью;

9)модуляции мощности луча во времени по заданному закону;

10)осуществления технологического процесса в любой опти­чески прозрачной для излучения среде.

Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело к возникновению групп технологических процессов, в основе которых лежат те или иные физические явления и эффекты.

Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурируя как с традиционными способами сварки, так и с элек­тронно-лучевой сваркой.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки ма­лоразмерных деталей в микроэлектронике, приборостроении, где важно получать малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Такую сварку можно вести как отдельными точками, так и герметичными швами при после­довательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительную толщину изделий. Экспериментально установлено, что для проплавления стали на глубину до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины изделий. Однако, как следу­ет из рис. 3.12, при дальнейшем уве­личении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки из­делий толщиной более 20 мм требу­ются уже весьма мощные лазеры, потребляющие из сети (с учетом КПД) сотни киловатт электрической мощности. Электронно­лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проход изделия из металла значительно большей толщины (до 100 мм) при меньшей потребляемой от сети мощности.

Так же, как и электронно-лучевая сварка, лазерная сварка дает узкий шов кинжального типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.

Прогресс в создании мощных потоков энергии когерентного лазерного излучения идет по пути наращивания мощности излуче­ния с соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности. Это, в свою очередь, ведет к техническому усложне­нию лазерного сварочного оборудования, снижению его надежно­сти и технико-экономических показателей и в итоге не позволяет в полной мере реализовать принципиальные возможности лазерной технологии. Лазерная сварка получила дальнейшее развитие в ви­де создания гибридных способов сварки (двухлучевой лазерной, лазерно-дутовой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, светолазерной), которые находят все большее применение в про­мышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности. Соединение различных способов сварки с лазер­ной в единый технологический процесс позволяет частично устра­нить недостатки каждого способа и расширить технологические возможности сварочного процесса. Совместное использование ис­точников тепла для гибридных способов сварки дает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичь такой же производительности процесса, как и при обычной лазер­ной сварке. Необходимо также отметить, что использование гиб­ридных способов сварки позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящей энергии лазерного излучения, а за счет более дешевой энергии второго ис­точника тепла. В этом состоит одно из основных преимуществ гибридных способов соединения и обработки металлов.

Лазерная сварка неметаллических материалов (в основном стекла и керамики) возможна благодаря тому, что излучение лазе­ра на СО₂ с длиной волны 10,6 мкм достаточно хорошо поглоща­ется этими материалами и может быть использовано для их нагре­ва, плавления и последующей сварки. По сравнению с га­зопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, лазерное излучение позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 100 К/с ввиду воз­можности термического растрескивания стекла) и уменьшить зону нагрева, что дает возможность создавать миниатюрные стеклян­ные сварные конструкции.

Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении ^П0Д действием сил тяжести, конвективного потока или газовой ^струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся пары могут быть удалены из зоны резки струей инертного газа и процесс резки может про­исходить более эффективно. При лазерной резке можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния.

В случае если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, минералы), локальный интенсивный нагрев лазерным излучением приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды и других жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое внутреннее давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материа­ла. Аналогично протекает процесс резки пористых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих с образованием газообразных продуктов. На таком принципе осно­вана резка слоистых пластиков, дерева, содержащих кристалличе­скую воду веществ.

Эффективность резки может быть значительно повышена в ре­зультате введения в зону резки активного газа, например кислоро­да. Экзотермическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе осно­ван процесс газолазерной резки. Кислород в этом процессе осуще­ствляет следующие функции:

1)обеспечивает в результате реакции окисления выделение ос­новной части энергии, необходимой для резки;

2)значительно увеличивает поглощательную способность ма­териала вследствие создания на его поверхности оксидов, имею­щих меньший коэффициент отражения по сравнению с основным металлом;

3)снижает поверхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жидкотекучие оксиды;

4)благодаря газодинамическому давлению способствует уда­лению расплавленных оксидов из зоны резки;

5)охлаждает кромки разрезанного материала.

При газолазерной резке металлов лазер непрерывного из­лучения на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать листы из малоуглеродистых сталей толщиной до 10 мм, из легированных и коррозионно-стойких сталей - до 6 мм, из никелевых сплавов - до 5 мм, из титана - до 10 мм. Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазерной резкой разделяются плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае затруднено. К таким металлам относятся алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и целый ряд других металлов, которые выгоднее резать плазменной резкой.

 

Газовое пламя

 

Газовое пламя - один из «старейших» источников энергии, ис­пользуемых в сварочных процессах. Сварочная газовая горелка появилась в начале XX в. как практическое осуществление хими­ческой реакции сжигания углеводородного топлива (чаще всего ацетиленового) в чистом кислороде. Сгорание топлива происходит по реакции

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О + 1300,6 кДж/моль.

В факеле газового пламени кроме СО₂ и паров Н₂О обычно при­сутствуют продукты пирогенного распада ацетилена, СО и частич­но попадающий в зону сварки атмосферный воздух (рис. 3.13).

 

 

 

В связи с этим защитные свойства газового пламени малоэффек­тивны и сварочная ванна в значительной мере насыщается газами, ухудшающими свойства наплавленного металла. Поэтому газовая сварка химически активных металлов (титана, циркония и др.) практически невозможна.

Интенсивность ввода энергии в материал при нагреве его газо­вым пламенем относительно невелика (см. табл. 1.6), поэтому при газовой сварке сварные швы имеют большую ширину, чем при дуговой.

В последнее время газовая сварка в промышленности прак­тически вытеснена другими, более прогрессивными способами сварки и используется в основном в ремонтных целях. Вместе с тем газопламенная обработка благодаря сравнительной простоте и мобильности процесса широко применяется в промышленности в технологических процессах газовой резки, нагрева, пайки и газо­пламенного напыления.

 

Электрошлаковая сварка

 

Электрошлаковая сварка появилась в свое время как дальней­шее развитие дуговой сварки под флюсом, когда было установле­но, что при определенных режимах электрод «закорачивается» на слой расплавленного шлака и выделение теплоты (рис. 3.14) про­исходит при прохождении электрического тока через жидкую шлаковую ванну. Общее количество теплоты, выделяемое в зоне сварки за 1 с, определяется как q = I ² R _cyм, где R _сум - суммар­ное сопротивление шлаковой и металлической ванн.

При электрошлаковой свар­ке почти вся электрическая мощность передается шлако­вой ванне, а от нее - электроду и свариваемым кромкам. Ус­тойчивый процесс возможен только при постоянной темпе­ратуре шлаковой ванны. Рабо­чая температура шлаковой ванны под электродом может достигать2200... 2300К.

При электрошлаковой свар­ке более равномерное выделе­ние теплоты по объему сварочной ванны по сравнению со сваркой под флюсом позволяет сваривать за один проход детали значи­тельных сечений (до нескольких квадратных метров); это обусло­вило широкое распространение электрошлаковой сварки в тяже­лом машиностроении.

Применяемые при электрошлаковой сварке флюсы отличаются высокой электропроводностью в расплавленном состоянии и низкими стабилизирующими свойствами по отношению к дуговому разряду. Например, флюс АНФ-1 содержит до 92 % плавикового шпата CaF₂, являющегося активным дестабилизатором дуги.

После развития начального дугового разряда расплавленный шлак полностью шунтирует дугу и дуговой процесс переходит в так называемый шлаковый. Температура плавления шлака должна быть выше, чем температура плавления свариваемого металла.

Электрошлаковую сварку обычно ведут на переменном токе при низком напряжении (40...50 В) и рабочих токах до нескольких тысяч ампер. Баланс энергии этого сварочного процесса показан на рис. 3.15.

 

 

 

Вследствие большой поверхности контакта теплоносителей -шлаковой и металлической ванн - с основным металлом плотность тепловых потоков в металл невысока, поэтому для электро­шлаковой сварки необходима более высокая удельная энергия (от 100 до 200 кДж/см²), чем для большинства способов дуговой сварки.

 

Термитная сварка

 

Химическая реакция взаимодействия оксидов железа с алю­минием (алюмотермическая реакция) протекает с большим вы­делением теплоты по следующему уравнению:

3Fe₃О₄ + 8А1 → 4А1₂О₃ + 9Fe + 3242 кДж.

Такая реакция реализуется в технике при сжигании смесей алюминиевого порошка и железной окалины, получивших на­звание термитов. Сравнительная простота осуществления алюмотермической реакции и доступность применяемых материалов по­ложили начало широкому применению термитов в промышленно­сти, особенно в металлургии и для сварочных процессов.

При термитной сварке сначала производят поджиг термита, происходит его сгорание, а затем разделка кромок обычно запол­няется жидким металлом, образующимся в результате алюмотермической реакции. Разогрев и плавление кромок свариваемых деталей при термитной сварке осуществляются за счет теплосо­держания жидкого присадочного металла, поэтому его объем вы­бирают в 2-3 раза большим, чем это необходимо для заполнения разделки.

Одно из основных достоинств процесса термитной сварки - простота осуществления в полевых условиях, что обусловило его применение для сварки рельсов, контактной сети железных дорог и некоторых строительных конструкций.