4.2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

В настоящее время лазерное излучение является наиболее концентрированным источником энергии с высокой плотностью мощности излучения. Широко используется для организации технологических процессов, требующих большой мощности источника энергии: для лазерной сварки, резки, термообработки и др. Хотя по плотности потока энергии лазерный луч превосходит электронные пучки, тем не менее, при лазерной обработке достигается меньшая глубина проплавления, чем в случае применения электронных пучков той же мощности. Это связано как с различной физической природой носителей энергии (поток электронов в одном случае, и фотонов – в другом), так и с разными условиями осуществления взаимодействия с поверхностью. Электроннолучевая обработка происходит в вакуумных условиях, а при использовании лазеров можно проводить технологический процесс при атмосферном давлении. При лазерной обработке, если в этом есть необходимость, можно использовать технологический процесс в атмосфере защитного газа. При большой плотности мощности лазерного излучения в газовой среде происходит интенсивная ионизация и возникает низкотемпературная плазма. В плазме происходит поглощение и рассеяние излучения, вследствие чего снижается концентрация энергии лазерного пучка.

Возникновение плазменного факела возможно в силу нескольких причин. Плазма может возникнуть в силу термической ионизации паров вещества мишени: при облучении лазером поверхности происходит испарение вещества и интенсивное поглощение излучения в парах, быстрый рост температуры и степени ионизации. Плазма также может образоваться в результате лавинной ионизации газа у поверхности твердого тела. На этот процесс существенное влияние оказывает дополнительный нагрев газа при контакте с горячей поверхностью, прогрев газа ударной волной испаряющегося вещества, эмиссия электронов с поверхности, наличие микронеровностей поверхности и т.п. Образование плазмы ведет к оптическому пробою газа (лазерная искра), который распространяется в направлении от поверхности навстречу излучению. Передний фронт плазмы останавливается там, где поступление энергии от лазерного луча компенсирует потери энергии в окружающую среду. При оптическом пробое наблюдается яркая вспышка света и резкий шум. Механизм возникновения лазерной искры связан с ионизацией электронным ударом и последующим образованием электронной лавины (электроны набирают энергию, поглощая фотоны при столкновении с атомами – это процесс обратный тормозному излучению при столкновении с атомами), а также с многофотонной ионизацией (однофотонная ионизация невозможна из-за небольшой энергии фотона, например, энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а потенциал ионизации аргона – 15,8 эВ).

Изменение показателя преломления среды при распространении лазерного луча в плазме ведет к его перефокусировке. В зависимости от радиального распределения плотности электронов в плазме возможны два предельных случая. Если границы плазмы размыты и плотность электронов плазмы распределена по нормальному закону, произойдет расфокусировка луча (плотность электронов на оси максимальна, луч, как в рассеивающей линзе, будет отклоняться к периферии плазмы). В случае плазмы с четко выраженным ядром, в котором плотность электронов постоянна и резко падает на периферии, преломление лучей возрастает при увеличении их угла наклона к поверхности плазмы, что ведет к смещению фокальной плоскости навстречу потоку излучения.

При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металла возникает паровой сгусток, который увеличивает коэффициент поглощения излучения. Возникающее вследствие этого экранирование проплавляемого участка приводит к остановке процесса испарения. Вследствие нагрева лазерным излучением паровой сгусток через небольшой промежуток времени разлетается, мощность потока излучения, падающего на поверхность металла, восстанавливается и процесс плавления металла продолжается. Таким образом, процесс плавления металла является периодическим.

Падающее на поверхность металла лазерное излучение, за исключением отраженного от поверхности, практически полностью поглощается электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1–1 мкм. В течение короткого промежутка времени с энергия электронов лишь в незначительной части передается кристаллической решетке металла. Поэтому в течение этого промежутка времени температура электронов будет значительно больше, чем температура решетки. Время релаксации, в течение которого температуры выравниваются (при условии, что плотность мощности излучения в зоне обработки не превышает ), составляет с. При лазерном нагреве передача теплоты вглубь металла в основном осуществляется посредством электронной проводимости, как и при обычных способах нагрева.

Для уменьшения энергетических потерь из-за частичного отражения лазерного излучения увеличивают коэффициент поглощения поверхности с помощью специальных покрытий или же с помощью соответствующей обработки увеличивают степень ее шероховатости. Поглощающие покрытия не используются в случае лазерной сварки и резки. При глубоком проплавлении металла эффективность нагрева увеличивается из-за поглощения излучения стенками глубокого и узкого канала.

При нагреве до высоких температур высокоактивных металлов, сплавов и легированных сталей в качестве защитной среды используют одноатомные инертные газы – аргон и гелий. Для низколегированных сталей и различных конструкционных материалов в качестве защитных газов используются углекислый газ и азот. Состав защитной атмосферы существенным образом влияет на величину глубины проплавления.