Основы лазерной размерной обработки (Часть 2.)

В статье рассмотрены основные принципы лазерной размерной обработки. Продолжение.

За пределами расплавленного слоя у стенок полости в результате рассеяния тепла механизмом теплопроводности материал заготовки прогревается до высокой температуры, что вызывает изменение его исходной структуры. Толщина слоя зависит от теплофизических свойств материала и продолжительности теплового воздействия Г, т. е. х~ (Д т)1/г, где а - коэффициент температуропроводности. Однако для сплавов, способных к упрочнению из-за структурных превращений, измельчения зерна, это явление необходимо учитывать при проектировании последующих операций по доработке полостей.

Воздействие лазерного луча непрерывного или квазистационарного (беспикового) импульсного излучения отличается от описанного выше действия излучения в импульсно-периодическом (с длительностью импульсов порядка нескольких микросекунд и периодом следования до десятка микросекунд) или импульсном пиковом режиме (при ~ 100% модуляции интенсивности в тех же временных диапазонах). Для этих режимов средняя мощность излучения практически не отличается от мгновенной, что ограничивает достижимые плотности потоков уровнем 106 Вт/см2, тогда как в пиковом режиме мгновенная плотность потока достигает 5*10 в 8 степени Вт/см2. Непрерывная подача энергии в зону обработки затрудняет эвакуацию продуктов разрушения. В полости накапливается избыточное тепло, увеличивающее объем расплава, что ухудшает конечное качество обработки. В связи с этим рассматриваемые режимы не рекомендуются для размерной обработки.

Краткое перечисление явлений и механизмов, ответственных за разрушение материала заготовки сфокусированным лазерным излучением, а также определяющих эвакуацию продуктов разрушения и формообразование полости в заготовке, показывает сложность процесса обработки, что предполагает определенные трудности в управлении ее результатами.

Анализ физических явлений, сопровождающих процесс воздействия лазерного излучения на вещество при плотности светового потока, превышающей критическое по испарению значение, показывает, что размерные и качественные результаты лазерной обработки определяются уровнем и сочетанием параметров энергетических, временных и пространственных характеристик излучения, условиями его фокусирования на деталь, а также теплофизическими свойствами обрабатываемого материала, поглощательными свойствами поверхности детали и размерами последней. Аналитическое прогнозирование результатов обработки. В основе разработки большинства аналитических зависимостей, описывающих размерный эффект обработки лазерным излучением, лежит решение тепловых задач с поверхностным (для металлов) или объемным (для неметаллов) тепловым источником. Сложность подобных многомерных задач приводит к введению некоторых упрощений, позволяющих получить аналитические решения, или к применению численных методов, обеспечивающих наибольшее приближение расчетных результатов к экспериментальным данным.