Физические процессы при лазерной резке алюминия

При воздействии сфокусированного мощного лазерного излучения на поверхность металла происходит его нагрев, плавление, частичное испарение и ионизация. В неоднородно нагретом веществе возникает сложное течение жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемещение вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к дополнительной фокусировке. Возникает сложное многофазное гидро- и газодинамическое течение, согласованное с распространением лазерного излучения в сильно поглощающей и преломляющей оптически нелинейной среде.

Наибольший интерес представляет возникающий при высоких плотностях мощности эффект глубокого проникновения лазерного луча, так называемое кинжальное проникновение, возникающее в силу гидродинамических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с ванной расплавленного металла. В ряде случаев положительный эффект производит плазменный факел, возникающий в близи поверхности материала.

Теоретическая модель лазерной резки алюминиевых сплавов высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с большой длительности импульса (порядка 1….) в настоящее время не является законченной в силу сложности и многофакторности приповерхностных явлений и разрозненности экспериментальных данных. Основные технологические закономерности импульсной резки высокоинтенсивным излучением импульсного лазера найдены экспериментально. В общем виде закономерности лазерной резки качественно описываются теорией Свифта-Хука - Джика. При условии потерь на теплопроводность значительно меньше потерь на нагрев и плавление материала (импульсный режим воздействия при скважности больше 10) теория дает простое соотношение баланса энергии:

h×n×d×(c_p×T_пл + Н_пл×r) = η×Р,

где Р – суммарная мощность поглощенного лазерного излучения и экзотермической реакции окисления;

h и d – глубина и ширина резания;

n - скорость резания;

η = а_э×η_t – эффективность;

η_t – термический КПД;

а_э – эффективный коэффициент поглощения света.

Существенной особенностью является то, что толщина окисной пленки на поверхности алюминия не возрастает с повышением температуры. Поэтому эффект увеличения коэффициента поглощения пропорционально времени воздействия лазерного излучения не проявляется, а химическое взаимодействие с режущим кислородом протекает в ограниченном объеме. Парогазовый канал при резке не имеет дна и задней стенки, что ухудшает условия поглощения излучения. Механизм эффективного поглощения излучения при импульсной лазерной резке алюминиевых сплавов повышенной толщины основан, по-видимому, на плазменных поверхностных явлениях.

Опубликованные данные о механизмах взаимодействия излучения с плазмой паров металла свидетельствует о многостадийности и многофакторности данного взаимодействия. Имеющиеся публикации по теории и практике лазерной технологии свидетельствуют, что плазменные явления (поглощение, рефракция) оказывают существенное влияние на параметры лазерного луча, а следовательно, могут влиять на характер и эффективность обработки материалов. Очевидно, что при экспериментально найденной оптимальной (с точки зрения производительности) длительности импульса воздействия порядка 0,8-1,2 мс. реализуется многостадийный процесс удаления материала реза. Данные показатели согласуются с теоретической моделью динамики плазменного факела и его экранирующим действием. Принимая во внимание очень высокую интенсивность лазерного излучения, можно предположить, что на начальном этапе развития импульса основным механизмом разрушения мишени является выброс материала за счет испарения. На данный эффект указывает практически подтверждаемое влияние на производительность обработки длительности фронта нарастания.

Эффективность импульсной лазерной резки алюминиевых сплавов возрастает с уменьшением длительности фронта нарастания импульса. Испарение материала в точке воздействия лазерного импульса формирует локальный дефект поверхности (каверну), благодаря чему значительно возрастает коэффициент поглощения и формируется глубокий парогазовый канал с интенсивным движением расплава. Вследствие перегрева и давления паров часть расплава материала выбрасывается в конденсированном виде – в виде жидких капель, которые играют существенную роль в балансе вещества и энергии. На роль гидродинамических эффектов указывают различные публикации по результатам исследований импульсной обработки. Отмечается более высокая эффективность обработки металла серией коротких импульсов в сравнение с одним длинным импульсом, причем суммарная энергия серии импульсов была меньше энергии длинного импульса. Дальнейшее повышение температуры поверхности металла вследствие углубления каверны и повышения плотности паров приводит к термической ионизации и образованию плазмы, устанавливается режим лазерного плазмотрона.

Плазма как промежуточная среда между обрабатываемой поверхностью и сфокусированным лазерным излучением приводит к изменению эффективности воздействия, причем решающее значение имеет плотность плазмы. Импульсная лазерная плазма представляет определенный интерес для лазерной технологии. С помощью плазмы можно добиться более эффективной передачи энергии лазера металлической поверхности. При возникновении плазмы растет механическое воздействие на разрезаемый материал. Однако одновременно с этим падает интенсивность теплового воздействия вследствие экранировки. Повышение эффективности взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом достигается одновременно увеличением энергии и длительности импульса. Параметры импульса 1-20 Дж при длительности 0,8-1,2 мс. позволяют добиться высокой эффективности обработки, т.к. время экранировки составляет малую долю от времени импульса и, таким образом, потери энергии света из-за экранировки будут малы, а энергия лазерного излучения накапливается в плазме и благодаря газодинамическому воздействию продувки зоны обработки режущим газом передается на нагрев материала зоны реза. Кроме того, в данном случае активизируются плазмохимические реакции окисления металла. Как представляется, характерное деление поверхности реза при резке алюминиевых сплавов больших толщин на 2 характерных участка (см. выше) свидетельствует о двухстадийном процессе резки и реализации лазерно-плазменного воздействия на материал. Увеличение поглощательной способности материала через поверхностную плазму снижает влияние физико-химических особенностей различных видов алюминиевых сплавов на режим резки. Благодаря этому разброс технологических показателей резки различных видов алюминиевых сплавов существенно снижается.

Данные о механизмах взаимодействия излучения с плазмой паров металла свидетельствует о многостадийности и многофакторности данного взаимодействия. Имеющиеся публикации по теории и практике лазерной технологии свидетельствуют, что плазменные явления (поглощение, рефракция) оказывают существенное влияние на параметры лазерного луча, и, следовательно, могут влиять на характер и эффективность обработки материалов. Очевидно, что при экспериментально найденной оптимальной (с точки зрения производительности) длительности импульса воздействия порядка 0,8-1,2 мс реализуется многостадийный процесс удаления материала реза. Данные показатели согласуются с теоретической моделью динамики плазменного факела и его экранирующим действием. Принимая во внимание очень высокую интенсивность лазерного излучения, можно предположить, что на начальном этапе развития импульса основным механизмом разрушения мишени является выброс материала за счет испарения. На данный эффект указывает практически подтверждаемое влияние на производительность обработки длительности фронта нарастания.

Эффективность импульсной лазерной резки дюрали возрастает с уменьшением длительности фронта нарастания импульса. Испарение материала в точке воздействия лазерного импульса формирует локальный дефект поверхности (каверну), благодаря чему значительно возрастает коэффициент поглощения и формируется глубокий парогазовый канал с интенсивным движением расплава. Вследствие перегрева и давления паров часть расплава материала выбрасывается в конденсированном виде – в виде жидких капель, которые играют существенную роль в балансе вещества и энергии. На роль гидродинамических эффектов указывают различные публикации по результатам исследований импульсной обработки. Отмечается более высокая эффективность обработки металла серией коротких импульсов в сравнение с одним длинным импульсом, причем суммарная энергия серии импульсов была меньше энергии длинного импульса. Дальнейшее повышение температуры поверхности металла вследствие углубления каверны и повышения плотности паров приводит к термической ионизации и образованию плазмы, устанавливается режим лазерного плазмотрона.

Плазма как промежуточная среда между обрабатываемой поверхностью и сфокусированным лазерным излучением приводит к изменению эффективности воздействия, причем решающее значение имеет плотность плазмы. Импульсная лазерная плазма представляет определенный интерес для лазерной технологии. С помощью плазмы можно добиться более эффективной передачи энергии лазера металлической поверхности. При возникновении плазмы растет механическое воздействие на разрезаемый материал. Однако одновременно с этим падает интенсивность теплового воздействия вследствие экранировки. Повышение эффективности взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом достигается одновременно увеличением энергии и длительности импульса. Параметры импульса 1-20 Дж при длительности 0,8-1,2 мс позволяют добиться высокой эффективности обработки, т.к. время экранировки составляет малую долю от времени импульса и, таким образом, потери энергии света из-за экранировки будут малы, а энергия лазерного излучения накапливается в плазме и благодаря газодинамическому воздействию продувки зоны обработки режущим газом передается на нагрев материала зоны реза. Кроме того, в данном случае активизируются плазмохимические реакции окисления металла.