Поглощение лазерного излучения поверхностью алюминия и его сплавов

Низкий коэффициент поглощения излучения технологических лазеров является одним из важнейших препятствий на пути реализации высокопроизводительной лазерной резки алюминиевых сплавов.

Поглощение и отражение лазерного излучения. В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения непрозрачными твердыми телами.

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной менее 0,1 мкм, эти электроны переходят в состояния с более высокими уровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или узлами кристаллической решетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Поэтому, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы термического воздействия на металл, это дает возможность пользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяется значением коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинны волны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности на длине волны лазерного излучения l = 10,6 мкм определяется уравнением: a = 112,2 (s₀^-1)^-1/2, где a - коэффициент поглощения; s₀- удельная электрическая проводимость металла по постоянному току, См/м.

Таблица 2

Коэффициенты поглощения различных материалов a, для излучения l = 10,6 мкм, %

Если лазерная обработка поверхности происходит в воздушной или какой-либо окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности образца и происходит дополнительное увеличение поглощательной способности.

По мере роста оксидной пленки на поверхности железа коэффициент отражения периодически уменьшается, когда толщина пленки становится кратной половине длины волны света. Таким образом aэф испытывает изменения во Эффективный коэффициент поглощения железа может быть на порядок выше, чем тот же коэффициент для чистой поверхности.

Оксидная пленки на поверхности алюминия термически прочная, T_плвыше 2000⁰С и ее толщина при нагревании не изменяется и коэффициент поглощения остается практически постоянным.

Коэффициент поглощения можно увеличивать искусственно. Для излучения CO₂- лазеров это особенно важно, т.к. на длине волны излучения l = 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства металлов менее 10%. Для увеличения поглощения поверхность образца покрывают специальными теплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК - излучение, например фосфат цинка, для которого при Т = 1000⁰С эффективный коэффициент поглощения a_эф= 0,7.

1.5. Влияние окисной плёнки на поглощение лазерного излучения поверхностью алюминия

Важнейшим препятствием для реализации лазерной резки алюминия являются физические особенности окисной пленки на поверхности. Поверхность алюминия и его сплавов покрыта плотной пленкой на основе корунда Al₂O₃, при этом прочность сцепления ее с основным металлом достаточно велика в силу развитости поверхности контакта и диффузионного характера перехода металл-оксид. Несмотря на высокое сродство алюминия к кислороду (G = 1582 кДж/Моль, реакция окисления: 2Al+1,5 O2=Al₂O₃) реализация процесса лазерной резки с применением кислорода в качестве режущего газа дает выигрыш не более 20% по сравнению с резкой в инертном газе. Этот эффект является следствием нарушения известного условия: температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления, а температура плавления металла должна быть выше температуры плавления его оксида. Температура плавления алюминиевых сплавов характеризуется величиной порядка 660°С, температура воспламенения порядка 900°С, а температура плавления оксидов на его поверхности составляет около 2050°С. Лазерная резка происходит по двум схемам параллельно – частично сгорание и термохимическая активация в сочетании с расплавным режимом резки и выдуванием расплава газодинамическим воздействием газового потока.

Сочетание высокой температуры плавления оксидной пленки, высокой теплопроводности, высокой скорости формирования окислов, их низкой пластичности и низкого коэффициента поглощения делают процесс лазерной резки алюминиевых сплавов крайне энергозатратным и малопроизводительным. В совокупности с низким коэффициентом использования мощности лазерного излучения имеет место низкое качество геометрических показателей реза. Как правило, поверхности реза состоит из двух характерных зон – в верхней части, приблизительно на ¼ толщины разрезаемого металла, находится участок с низкой шероховатостью и высокой геометрической точностью, на остальной поверхности шероховатость прогрессивно увеличивается до тыльной стороны листа. В зависимости от марки сплава показатели качества и производительности имеют существенное различие. Необходимо также отметить некоторое влияние на процесс лазерной резки исходного состояния поверхности обрабатываемой детали – шероховатости, толщины окисных отложений, типа коррозии и др. Негативное влияние перечисленных факторов определяет ограничение не только в качественных показателях резки, но и возможности обработки алюминиевых сплавов больших толщин. Например, лазерная установка мощностью излучения 1,5 КВт эффективна для резки низкоуглеродистой стали до 10 мм, а алюминиевых сплавов только до 3 мм, причем выборочно для отдельных марок сплавов. Необходимым условием резки является использование режущего газа свыше 10 ати. Это значительно усложняет используемую технологическую оснастку и удорожает технологию.

Перечисленные особенности физико-химических свойств значительно ограничивают использование лазерной технологии для резки алюминиевых сплавов.