Основы лазерной размерной обработки (Часть 1.)

В статье рассмотрены основные принципы лазерной размерной обработки

В основе лазерной размерной обработки лежит тепловой механизм разрушения материала заготовки при поглощении в ее поверхностном слое энергии лазерного излучения (Размерная лазерная обработка может выполняться при помощи станка лазерной резки LTC75). Сфокусированный лазерный луч, обладая высокой интенсивностью и благодаря локальности и кратковременности воздействия, может создавать полости в большинстве твердых материалов путем их испарения и плавления. Динамика операции формообразования полости состоит из нескольких взаимосвязанных и одновременно протекающих процессов, которым предшествует этап превращения энергии излучения в теплоту материала, определяющий эффективность его нагрева и испарения. Знание сути взаимодействия лазерного излучения с веществом имеет существенное значение для решения проблем обработки. Однако построение точной теории взаимодействия до настоящего времени остается сложной задачей, поэтому в основе изучения процесса лежат экспериментальные методы.

При воздействии излучения с плотностью светового потока выше критической для материала заготовки твердый материал быстро превращается в пар. Часть тепла, рассеянного теплопроводностью, плавит поверхностный слой материала, несколько увеличивая зону воздействия пучка на заготовку. В диапазоне плотностей мощности поглощенного светового потока 10s -105 Вт/см2 эвакуация продуктов разрушения большинства материалов происходит взрывообразно, с выносом вещества в жидкой и твердой фазе с формированием струи, истекающей нормально к поверхности заготовки. Часть излучения, не достигая заготовки, поглощается и рассеивается продуктами разрушения, причем паровая фракция (слабо ионизированная плазма), прозрачность которой определяется температурой и плотностью, оказывает определяющее воздействие на поглощение получения в факеле. Это дополнительно разогревает струю, при этом яркость ее свечения повторяет ее характер поступления энергии (непрерывный, импульсный). При интенсивности светового потока, превышающий значения 108 — 109 Вт/см2 оптическая плотность факела повышается настолько, что практически вся энергия излучения расходуется на подогрев плазмы. Этим пределом ограничивается сверху диапазон эффективных плотностей потоков излучения, используемых в размерной обработке. Однако иногда инициированная излучением волна поглощения в окружающем заготовку газе и вызванная ею детонационная волна используются для повышения эффективности размерной обработки слабопоглощающих материалов длинноволновым излучением СО2-лазеров [108]. Для этого заготовку окружают легким газом (например, Не), используют импульсы излучения возможно большей длительности и низкой пиковой мощности при его фокусировании короткофокусными линзами.

Движущаяся навстречу лучу парожидкостная струя дополнительно плавит и размывает стенки полости, увеличивая ее размер. Соотношение между жидкой и парообразной фракциями в продуктах разрушения колеблется от 3:7 до 4:1 и зависит от плотности потока излучения, длительности импульса и свойств обрабатываемого материала. Доля жидкой фазы увеличивается у материалов с большей теплопроводностью и со значительной разницей в температуре испарения и плавления. Расплавленный металл, эвакуируясь из полости, движется вдоль' ее стенок (рис. 3) и может образовывать характерный валик вокруг входной части полости. При уменьшении плотности светового потока ниже критической по испарению величины, вызванном расфокусировкой излучения по мере углубления полости, поглощением энергии в факеле продуктов разрушения или снижением интенсивности потока в конце импульса излучения, падают температура паровой фракции факела и давление в нем. В результате этого часть расплава остается на стенках полости, затвердевает, образуя наплывы. Это повышает шероховатость поверхностей полости, а при значительных количествах расплава закупоривает ее. Продолжение статьи .