Тепловые процессы, деформации и напряжения при лазерной обработке

Сфокусированное лазерное излучение создает на поверхности материала концентрированный источник нагрева, используемый для различных процессов обработки, таких, как поверхностная закалка, наплавка, сварка, резка, прошивка отверстий и др.

При воздействии на поверхность обрабатываемых материалов часть лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает в материал на незначительную глубину и практически полностью поглощается в приповерхностном слое толщиной 10-6/10-7 м. Дальнейшее рассмотрение процесса распространения теплоты в металлах при лазерной обработке может проводиться на основе известной теории теплопроводности. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и в значительной степени от теплофизических свойств материалов.

Интенсивность отражения лазерного излучения при воздействии на поверхность твердого тела определяется коэффициентом отражения, зависящим от материала и длины волны излучения. В табл. 2.2 представлены значения коэффициента Rотр отражения при нормальном падении луча и при комнатной температуре для различных металлов в диапазоне длин волн наиболее распространенных типов лазеров.

Данные, представленные в табл. 2.2, показывают, что значительная доля лазерного излучения при воздействии на металлические поверхности отражается и, таким образом, снижается эффективность лазерной обработки металлов. В особенности это относится к излучению С02-лазеров, характеризуемых высокой отражательной способностью при воздействии на металлы.

Однако с ростом температуры поглощательная способность существенно увеличивается и, как следствие, значительно возрастает эффективность лазерной обработки.

В частности, при воздействии излучения С02-лазера с длиной волны Л. = 10,6 мкм на неокисленную металлическую поверхность эффективный коэффициент поглощения Аэф=1—RОТР можно определить из уравнения Хагена—Рубенса АЭф= 112,2 (?0)1/2, где ?0 — удельная электропроводность металла для постоянного тока, (Ом-м)-1. С ростом температуры электропроводность металлов уменьшается и соответственно возрастает коэффициент поглощения.
На поглощательную способность материала значительно влияет состояние поверхности. Если лазерная обработка поверхности осуществляется в воздушной или какой-либо другой окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности образца и вследствие этого значительно (в несколько раз) увеличивается коэффициент поглощения.