Анализ процессов возникающих при лазерной резке материалов

Анализ физических и  рабочих процессов, возникающих  при лазерной резке материала

1.3.1 Термическое  действие лазерного излучения

Лазерное излучение, как электромагнитная волна оптического диапазона, обладает таким важным технологическим качеством, как безынерционность. Учитывая исчезающе  малую массу фотонов и большую  скорость света, время включения  и выключения луча, смена направления  перемещения луча относительно детали определяется лишь быстродействием  соответствующего устройства (оптического  затвора, механизма перемещения зеркала или координатного стола).

Помимо этого существует принципиальная возможность с помощью светоделительной оптики и зеркал «дробить» пучок в необходимых пропорциях и направлять его по оптическим трактам на те, или иные технологические позиции.

В связи с вышесказанным при  использовании лазерного излучения  может быть достигнута высокая степень  автоматизации технологического процесса обработки на основе применения координатных устройств относительного перемещения  луча и детали, управляемых от ЭВМ.

Таким образом, суммируя преимущества лазерных методов разделения, можно указать следующие:

- лазером разделяется обширный  класс материалов независимо  от их твердости;

- лагодаря острой фокусировке,  обеспечивающей локальность нагрева,  возможно получение узких разрезов  с минимальной зоной термического  влияния;

- практически полностью  отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал (возможна обработка легкодеформируемых и нежестких материалов)

- высокая плотность мощности, достигаемая  при фокусировке луча на поверхность  обработки, обеспечивает высокую  производительность процесса;

- применение лазеров импульсно-периодического  действия позволяет контролировать  и строго регламентировать пребывание  материала при высоких температурах;

- существует возможность автоматизации  процесса на высоком уровне;

- применение соответствующих  координатных устройств позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру в двух и даже трех измерениях, начав процесс с произвольно выбранного места.

В то же время применение лазерного излучения  для разделения материалов нельзя считать  универсальным средством, способным  разрешить все проблемы, связанные с тем или иным процессом. В частности, необходимость фокусировки излучения для достижения высоких значений плотности мощности потока Е одновременно предполагает расхождение пучка за плоскостью фокусировки, т. е. падение значения Е. Хотя в ряде случаев в образованном в материале под действием излучения канале могут проявляться его волноводные свойства, значительно увеличивающие глубину проникновения излучения в вещество, тем не менее, глубина обработки имеет ограничение, связанное и с естественной расфокусировкой пучка, и с поглощением части излучения на стенках канала.

К основным недостаткам лазерных методов  обработки зачастую относят высокую  стоимость оборудования и низкий КПД лазерных установок. Однако постоянное совершенствование конструкций, использование  новейших достижений в области материаловедения, кристаллографии, газового разряда  и применение новых оптических материалов позволяют отнести эти недостатки к разряду временных.

1.3.2. Стадии лазерного разрушения материала.

Процессы разделения материалов лазерным излучением основаны в большинстве  случаев на передаче энергии квантов  света тепловым колебаниям решетки  твердого тела, т. е. на термическом  действии света. В общем случае эти процессы могут быть представлены следующими стадиями:

1).- поглощение света и последующая  передача энергии внутрь тела;

2).- нагревание  материала без разрушения;

3).-изменение агрегатного состояния  вещества (плавление, испарение,  сублимация, термодеструкция);

4).- удаление  материала из зоны взаимодействия;

5).- остывание  материала после прекращения  облучения.

Каждая из этих стадий в том или  ином виде наблюдается при разрушающем  действии излучения на любой материал. Первые четыре стадии во многом определяют производительность технологических  операций; вторая и пятая стадии ответственны за структурные и физико-химические превращения в облучаемом материале; четвертая стадия влияет на качественные показатели процесса.

Следует отметить, что характерное  время протекания каждой из этих стадий зависит от физико-химических характеристик  облучаемого материала, длины волны  и энергетических параметров излучения, а также от условий взаимодействия. Вследствие этого изучение явлений, протекающих на каждой из этих стадий, имеет важное значение для понимания  существующих и разработки новых  процессов разделения материалов. Целесообразно выделить характерные особенности взаимодействия излучения с веществом на каждой стадии в отдельности.

1.3.3. Механизмы лазерного разделения.

При воздействии  лазерного излучения на вещество в целях осуществления технологического процесса можно выделить три группы факторов, определяющих условия взаимодействия и конечный результат обработки.

1)  Группа факторов, связанная с теплофизическими свойствами материала: теплопроводность, теплоемкость; температуры плавления, испарения, фазовых переходов, разложения; плотность; удельные энергии плавления, испарения, сублимации; коэффициент отражения; показатель поглощения.

2) Группа факторов, определяющая оптические, энергетические и временные параметры лазерного излучения: длина волны и степень поляризации излучения; мощность и плотность мощности; энергия в импульсе, длительность и частота следования импульсов.

3)  Группа факторов, характеризующая технологические условия проведения процесса: скорость перемещения образца; диаметр сфокусированного пучка; угол схождения лучей после фокусирующей системы; род, давление, скорость газа и конструкция устройства, направляющего поток газа в зону обработки; положение фокальной плоскости относительно поверхности материала.

В зависимости от значений совокупности этих факторов лазерное разделение материала может быть основано на различных механизмах: испарении, плавлении с удалением расплава из зоны обработки, некоторых химических реакциях (горении, термодеструкции и др.), термораскалывании.

1)- При лазерном разделении в  режиме испарения температура  материала в зоне облучения  выше температуры кипения, и его удаление происходит в виде парокапельной фазы.  Этот механизм характеризуется наибольшими удельными энергозатратами и, как правило, осуществляется с помощью лазеров импульсного действия в операциях сверления отверстий, скрайбирования, гравирования.

2)- При резке в режиме плавления  в зоне облучения образуется  расплав, который не может быть  удален под воздействием избыточного давления паров, что при последующем остывании материала приводит к заплавлению образовавшегося канала. Для того чтобы удалить расплав, в область обработки направляется поток газа. Лазерное разделение в режиме плавления и выдувания требует на порядок меньшего удельного энерговклада по сравнению с режимом испарения.

3)- Ряд материалов (пластики, минералы) под действием лазерного излучения  может претерпевать необратимые  изменения химического состава  с выделением газообразных продуктов  реакции и образованием вещества  с иными физико-химическими свойствами. Кроме того, лазерный нагрев вещества  в определенных газовых средах может приводить к развитию экзотермической реакции, служащей дополнительным тепловым источником. В этом случае энергозатраты процесса могут снизиться вдвое по сравнению с предыдущим механизмом.

4)- При облучении хрупких материалов (стекло, керамика и др.) в объеме  образца возникают термоупругие  напряжения, обусловленные наличием  градиента температур. Если напряжения  превышают предел прочности, то  наблюдается разрушение материала,  носящее характер растрескивания. Варьируя режимы лазерной обработки,  можно добиться управляемого  распространения трещин вслед  за лучом. По сравнению с  представленными выше механизмами  разделения процесс управляемого  термораскалывания требует наименьших  уровней мощности излучения и  минимален по энергозатратам.

1.3.3.1 Разделение в режиме испарения материала.

Рассмотрим более подробно первый механизм, как наиболее актуальный в рамках рассматриваемой задачи. Механизм испарения при лазерном разделении неметаллов является характерным  и очень часто реализуется  на практике — при лазерной резке  органических материалов (как термо-, так и реактопластов), многих видов  стекол, минералов и т.д.

На стадии, предшествующей полному  испарению вещества в зоне воздействия  излучения, механизм разрушения большинства  неметаллических материалов, представляющих собой сложное химическое соединение или многокомпонентную разнородную  систему, состоит в последовательном испарении элементов, начиная с  наиболее легкоплавких, поэтому правильней в данном случае говорить о возгонке вещества. Тем не менее, очень часто  можно выделить некоторый компонент  вещества, определяющий кинетические (скорость испарения, время выхода на стационарный режим и время полного  испарения) и энергетические (удельная энергия разрушения, импульс отдачи, степень экранировки поверхности) характеристики процесса разрушения.

При анализе явлений, происходящих в рассматриваемом процессе разделения, в дальнейшем будем пользоваться принятой в технической литературе терминологией и говорить об испарении  вещества. В общем случае можно  сказать, что механизм испарения  характерен для лазерного разделения сублимирующих материалов, удельная энергия испарения которых приблизительно равна или даже ниже их удельной энергии плавления. С другой стороны, механизм испарения реализуется  при разделении всех материалов, облучаемых короткими импульсами, обеспечивающими  плотность мощности на поверхности  не менее 10⁷ Вт/см². Испарение твердого тела происходит при любой температуре выше абсолютного нуля, причем тем интенсивней, чем больше температура. Однако результирующая скорость движения границы испарения будет отлична от нуля только в том случае, когда испарение вещества не компенсируется конденсацией из обратного потока, образующегося при столкновении атомов (молекул) пара между собой и атомами (молекулами) окружающей среды. При облучении твердого тела на воздухе до тех пор, пока парциальное давление пара меньше атмосферного, отвод испаренного вещества обеспечивается малоэффективными механизмами молекулярного переноса, прежде всего диффузией в воздухе. В этом случае состояние пара у поверхности испарения близко к насыщению и испарение практически полностью уравновешено конденсацией частей из обратного потока. Таким образом, нижней границей стадии испарения является температура кипения, при превышении которой образуются пары, начинающие расширяться под воздействием избыточного давления. Из условия достижения температуры испарения T_и на поверхности материала рассчитывается порог начала разрушения. Так как удельная энергия и температура испарения многих неметаллов достаточно низки, режим испарения наблюдается уже при плотностях мощности порядка 10⁴...10⁵ Вт/см и легко обеспечивается даже при использовании лазеров непрерывного действия.

Масса материала, удаляемого из зоны обработки в виде пара, возрастает с увеличением энергии лазерного  излучения. Достаточно очевидно, что  чем ниже температура испарения  материала, тем больше количество выброшенного из канала (лунки) вещества.

При невысоких  значениях плотности мощности излучения  количество испаренного вещества в  большей степени определяется теплопроводностью  материала, чем его скрытой теплотой испарения. В этом случае, чем выше теплопроводность материала, тем меньше масса испаренного вещества. При  увеличении плотности мощности достигаются  такие ее значения, при которых  теплота выделяется настолько быстро, что уже не успевает отводиться за счет теплопроводности. При этом основным фактором становится скрытая теплота  испарения. Критическая плотность  мощности q_кр при которой происходит переход из области, где теплопроводность является определяющим механизмом, в область, где теплопроводность играет незначительную роль и ею можно пренебречь, приближенно определяется соотношением 1.1

(1.1)

где L_Н - скрытая теплота испарения единицы массы.

Время установления процесса квазистационарного испарения, когда энергия поглощенного излучения расходуется практически  только на испарение, может быть оценено  соотношением t_исп ≈ a/v₀ (где v₀ — скорость движения границы при квазистационарном испарении).

Так как при квазистационарном  испарении теплота, выделяемая в  единицу времени, идет на нагревание и передачу скрытой теплоты испарения L_H слою материала толщиной v₀, то из уравнения баланса энергии можно получить:

  (1.2)

Роль  теплопроводности среды в этом процессе сводится к тому, что волна нагрева, сформированная за счет теплопроводности, распространяющаяся впереди фронта испарения, нагревает поочередно слой вещества от начальной температуры  до температуры испарения Т_и.

Температурное поле при квазистационарном  испарении может быть определено из решения задачи о движении границы  испарения полубесконечного тела в  одномерной постановке:

(1.3)

Учитывая, что источник теплоты  в материале является объемным, изменяющимся, так же как и световой поток, по закону Бугера и на поверхности испарения действует сток, соответствующий затратам теплоты на фазовый переход при испарении, решение краевой задачи в движущейся со скоростью v₀ системе координат имеет вид 1.4

(1.4)

где β = v₀/a.

Как видно из выражения (1.4), при  совместном действии объемного источника теплоты в материале и поверхностного стока максимальная температура достигается на некотором расстоянии z_o от поверхности испарения. Это расстояние определяется как

(1.5)

(1.6)

Для неметаллов зачастую а≈β, что  говорит о возможности значительного  внутреннего перегрева. В этих условиях, когда материал частично прозрачен  для падающего на него излучения, энергия поглощается внутри образца  впереди фронта испарения, вызывая  внутреннее кипение вещества, наблюдаемое  в виде микровзрывов.

 Нижней границей  применимости тепловой модели  разрушения непрозрачных материалов, как уже было показано, является значение q_кр, определяемое по выражению (1.1). Верхняя граница для светового потока определяется из условия отсутствия заметной экранировки излучения, которая происходит за счет поглощения и рассеяния луча в нагретых парах при связанно-свободных переходах электронов возбужденных атомов, при тормозном поглощении электронов в поле ионов и нейтральных атомов, а также в продуктах эрозии, летящих со дна канала (лунки) и образованных в результате объемной конденсации расширяющегося пара.

Глубина лунки растет с увеличением  плотности энергии излучения. Однако существует оптимальный режим испарения для данного вещества, обеспечивающий максимальные значения удельного выноса массы и перемещения фронта испарения. Плотность потока в оптимальном режиме определяется как

(1.7)

где Q — плотность энергии.

Оптимальный режим испарения обеспечивается в том случае, когда скорость движения фронта испарения близка к средней  за время действия импульса скорости распространения волны нагрева  в материале.

Рис. 32 Удельный вынос массы   материала в зависимости от   плотности падающей энергии излучения  при испарении вещества

На рис. 32 изображена кривая, качественно  характеризующая зависимость удельного  выноса массы µ от плотности падающей энергии излучения Q, когда разрушение описывается моделью испарения. Область Q<Q₁ соответствует нестационарному испарению материала, которое переходит в квазистационарное при Q>Q₁ когда отвода теплоты путем теплопроводности можно пренебречь. С увеличением Q удельный вынос достигает максимального значения, а затем падает, так как полная энергия испарения растет с увеличением температуры испаряемой границы.

При использовании лазеров с  модулированной добротностью и длительностью  импульсов, не превышающей 100 мкс, процесс  испарения не успевает стать квазистационарным: температура и скорость испарения  изменяются в течение импульса. С  началом испарения температура  продолжает расти, но по мере роста  скорости темп нагревания замедляется.

Важное значение в механизме  испарения неметаллов приобретает  при определенных условиях движение испаряемого вещества или вещества, выброшенного с поверхности под действием лазерного нагрева, приводящее к существенному изменению взаимодействия излучения с материалом. Испаренное вещество создает большое давление на поверхность, в результате чего температура испарения возрастает и изменяются условия протекания процесса. Из-за сильного нагрева вещества пары могут передавать поверхности значительный импульс отдачи.

Начальная скорость расширения пара u_п0, как известно из газодинамики, равна местной скорости звука и определяется в соответствии с выражением

(1.8)

где γ - показатель адиабаты пара; R -универсальная газовая постоянная; М - молекулярный вес вещества; Т₁ - начальная температура пара.

При дальнейшем движении скорость пара может значительно превосходить скорость звука, а его ускорение происходит в тонком слое у поверхности испарения толщиной в несколько длин свободного пробега частиц пара. Сверхзвуковой режим истечения сопровождается образованием ударных волн в струе испаряющегося материала. Если в дальнейшем в зависимости от профиля канала (лунки) происходит расширение и ускорение пара, то в результате его резкого охлаждения может произойти конденсация пара в капли. Температура струи за конденсационным скачком возрастает до значений, близких к температуре поверхности, а ее местные значения для конденсата и пара, как и их скорости, мало отличаются друг от друга.

Результирующая скорость движения границы испарения v’₀, определяющаяся разностью скоростей испарения v₀ и конденсации v_K за счет обратного потока, образующегося при столкновении атомов и молекул пара и окружающей среды, составляет приблизительно 0,8 v₀.

Движущаяся парожидкостная струя  захватывает сконденсированные  капли расплава, очищая таким образом  полость реза и оплавляя стенки канала. В зависимости от параметров лазерного излучения (плотности мощности, длительности импульса) и свойств обрабатываемого материала доля жидкой фазы в продуктах разрушения может составлять от 30 до 80%, и она тем больше, чем выше теплопроводность материала и чем значительнее разница между температурами плавления и испарения.

При высоких значениях интенсивности  лазерного излучения, поскольку  оно представляет собой переменное электрическое поле с большой  напряженностью, в нем, как и в  постоянном электрическом поле, может  происходить пробой газов. Плотность  мощности, необходимая для пробоя, в воздухе при атмосферном  давлении составляет для излучения  С0₂-лазера 10⁹ Вт/см², для излучения неодимового лазера - 10¹¹ Вт/см. Однако при взаимодействии с материалом порог пробоя газа существенно снижается и может происходить при плотностях мощности 10⁶...10⁷ Вт/см². Это явление связано с присутствием легкоионизируемых паров разрушаемого материала, за счет которых снижается суммарный потенциал ионизации газа, находящегося вблизи поверхности.

Возникновение плазмы при оптическом пробое вблизи поверхности может  значительно изменить характер взаимодействия (усилить или ослабить) излучения  с материалом в зависимости от условий обработки. Усиление взаимодействия наблюдается, например, для коротких лазерных импульсов (τ_И ≈1 мкс), действующих на материалы с высоким коэффициентом отражения, когда плазменное облако за время импульса не успевает отойти от поверхности. В этом случае, поскольку излучение с данной длиной волны поглощается слабо отражающей поверхностью, передача энергии к образцу может возрасти за счет более полного поглощения лазерного излучения плазмой с последующей передачей теплоты образцу за счет теплопроводности или за счет излучения плазмы.

В непрерывном режиме или при  большой длительности импульса, как  при разделении сильноотражающих, так  и сильнопоглощающих материалов, основной эффект выражается в ослаблении интенсивности излучения, сфокусированного на поверхности образца, из-за поглощение в плазме. Прозрачность такой низкотемпературной плазмы зависит от ее температуры  и концентрации. Основными процессами поглощения в паре, как уже отмечалось, является фотопоглощение возбужденными атомами и тормозное поглощение электронами, а также поглощение и рассеяние светового потока на частица; конденсата. Ослабление плотности мощности излучения, сфокусированного на поверхности образца, может произойти также и за счет дефокусировки в плазме.

Эффекты взаимодействия лазерного  излучения с плазмой можно схематично проиллюстрировать изменение* глубины испаренного слоя при облучении наносекундным импульсом (рис. 33). В начале лазерного импульса поверхность поглощает падающее излучение и начинав испаряться. Затем на протяжении большей части лазерного импульса плазма над поверхностью поглощает свет, и испарение поверхности прекращается, что соответствует горизонтальному участку кривой. К концу лазерного импульса плазма становится очень горячей и переизлучает энергию, которая достигает поверхности и снова вызывает испарение. Таким образом, одинаковое количество энергии лазерного излучения, выделяющееся при облучении материала, при очень высокой мощности вызывает менее эффективное испарение, чем-то же количество энергии в случае более длительного импульса с меньшей мощностью.

Помимо поглощения, в  плазме при резке органических материалов может наблюдаться ослабление излучения за счет наличия колебательно-вращательных полос поглощения в молекулярных газах, образующихся при термодеструкции полимера. Резонансное поглощение имеет место при совпадении частот характеристических колебаний молекул газа и частоты генерации лазерного излучения. Существенный вклад в ослабление излучения может вносить экранировка его продуктами разрушения (эрозионный факел), которая для диэлектриков, непрозрачных на данной длине волны за счет молекулярного поглощения, в отличие от металлов начинается при меньших плотностях мощности.

Полная оптическая толщина ослабления Λ_ф излучения на частицах эрозионного факела вычисляется с помощью интегрирования показателя ослабления α_осл вдоль направления распространения луча (ось z):

(1.9)

где S(R) — сечение ослабления для частицы радиусом R; n_Ч(R,z)dR - число частиц, приходящееся на единицу объема в интервале изменения радиусов частиц от R до R + dR..

Для большинства диэлектриков, продукты, разрушения которых ослабляют лазерный пучок на длине волны генерации излучения, характерен пульсирующий характер испарения. Низкочастотный спектр колебаний (несколько Гц) обусловлен макроструктурой (периодической или хаотической) строения материала; высокочастотные колебания связаны с конкуренцией двух процессов — разлета паровой фазы и экранировки излучения. При некоторой глубине канала (лунки) происходит затухание пульсаций и установление режима взаимодействия с постоянным поглощением в столбе паров.

Таким образом, общая картина разделения материала  в режиме испарения может быть представлена следующими явлениями.

1). Поглощение излучения поверхностью и передача энергии твердому телу. Увеличение температуры поверхности до точки кипения происходит настолько быстро, что жидкая фаза не успевает образоваться в значительном количестве.

2). Возгонка материала. Разрушение неметаллических материалов, в большинстве своем имеющих сложное химическое строение, происходит в виде последовательного, по мере возрастания температуры, испарения отдельных его составляющих. Для частично прозрачных на определенной длине волны материалов характерен режим внутреннего кипения.

3). Образование эрозионного факела. Удаление пара с поверхности происходит с околозвуковыми скоростями в виде струи, направленной от поверхности испарения, в которой вместе с паром движутся сконденсированные капли вещества и другие продукты эрозии, выброшенные со дна и стенок канала (лунки).

4). Возникновение волн давления. В результате появления импульса отдачи в связи с разлетом продуктов эрозии и значительного температурного градиента возникают волны давления и термомеханические напряжения, которые могут привести к механическому разрушению материала.

5). Экранировка поверхности. Пар, истекающий из зоны обработки, может снижать порог плазмообразования и приводить к ослаблению излучения, падающего на поверхность. Рассеяние и поглощение излучения происходят также на продуктах конденсации и твердых частицах вещества. Резонансное поглощение наблюдается при совпадении частоты характеристических колебаний молекул в газах или радикалах и частоты генерации лазерного излучения. Явление экранировки обусловливает существование оптимального значения плотности мощности излучения, при котором удельный вынос массы максимален.

6). Автоколебательный режим испарения. Возникновение эрозионного факела и рост глубины канала (лунки) носят самосогласованный пульсирующий характер.

1.3.3.2 Термохимические особенности  лазерного разрушения неметаллов.

Химическое действие лазерного  излучения может быть связано:

1)- с локальным нагревом, т. е.  увеличением в облучаемой среде числа частиц, имеющих энергию выше энергии активации химической реакции;

2)- с поглощением фотона  молекулой, которая либо диссоциирует, либо возбуждается до уровня, когда реакция ее с другой молекулой требует малой энергии активации (при этом общая температура среды может практически не повышаться);

3)- с возбуждением радиационно-химических  превращений, аналогичных процессам, наблюдающимся при прохождении через среду быстрых частиц, которые образуют ионы, радикалы и возбужденные частицы;

4)- с макроскопическим разогревом  среды.

В зависимости от интенсивности  действующего излучения и состояния  среды причины химических превращений  могут быть различными. В частности, фотохимический процесс может сменяться  тепловым. Разделение этих двух процессов  обычно сложно и выполняется надежно  только при относительно небольших  интенсивностях излучения. В материале, на который действует лазерный луч, возможна конкуренция теплового и фотохимического механизмов превращения вещества. Одним из критериев перехода одного механизма в другой является длительность импульса τ_кр лазерного излучения: при τ> τ_кр в среде преобладают тепловые химические реакции, а при τ<τ_кр — фотохимические.