Экспериментальные исследования зависимостей пороговой плотности мощности от факторов воздействия

На основании сказанного выше следует вывод, что основным фактором, обеспечивающим силовую обработку материалов, является тепловое воздействие лазерного луча на поверхность изделия при условии, что плотность энергии в пятне облучения превысит определенное для данных условий пороговое значение, при котором начнется процесс интенсивного испарения материала. Если воздействие осуществляется излучением с длиной волны 10,6 мкм (СО₂ лазер), то глубина проникновения поглощаемого луча в непрозрачный материал составляет всего 1-2 мкм. Путем фокусировки луча на поверхности в пятно порядка 1мм нетрудно достичь необходимого эффекта даже при сравнительно небольших мощностях используемого лазера. В случае более коротковолнового излучения, например, 1,06 мкм (лазер на алюмоиттриевом гранате с присадкой неодима) глубина проникновения луча в среду увеличивается, соответственно возрастает величина пороговой плотности. Однако для дальнейшего углубления разреза следует убирать выделяющиеся пары материала. С этой целью осуществляется непрерывный продув места обработки материала, например, нейтральным газом – азотом или аргоном. Тогда пойдет процесс послойного испарения материала и удаления возникающих паров вплоть до образования разреза нужной глубины. Такой процесс требует определенного времени, и для его ускорения приходится повышать плотность энергии в пятне облучения намного выше порогового значения. Для проведения процесса сварки необходимо обеспечить расплавление, но не испарение материала, который должен равномерно заполнить свариваемый шов. Такой процесс также необходимо проводить в атмосфере нейтрального газа. Скорость движения лазерного луча вдоль шва будет зависеть от плотности энергии в пятне облучения, поэтому и здесь стремятся повысить эту величину.

Однако при повышении плотности энергии выше определенного значения образующиеся пары материала начинают вырываться в форме плазмы еще до окончания протекающего процесса резания или сварки. Плазма экранирует обрабатываемую поверхность, прекращая доступ к ней луча, что срывает протекание ведущегося процесса. Возникает второе пороговое значение плотности энергии в пятне облучения, превышение которого сопровождается образованием плазмы. В этой связи наиболее важной задачей становится определение второго порогового значения, а также характеристик возникающей плазмы и особенностей взаимодей-ствия с ней лазерного луча. Такие исследования требуют наличия хорошо оснащен-ной экспериментальной базы, разработки непростых методик исследований и наличия квалифицированных исследователей, в совершенстве владеющих такими методиками.

Здесь будут представлены проводившиеся в НПО «Астрофизика» исследования зависимостей пороговых значений плотности энергии, сопровождаемых возник-новением приповерхностной плазмы, от характеристик лазерного луча и свойств обрабатываемых материалов.

1) Исследовательский стенд. Перед экспериментальными исследованиями ставились следующие задачи: выяснить

· как зависит энергетический порог образования плазмы от размеров пятна облучения, от давления окружающего газа (воздуха), от длительности лазерного импульса, от длины волны излучения;

· как протекает процесс развития возникающего лазерного факела у поверхности, какова его динамика;

§ каковы параметры плазмы, от чего они зависят и как меняются со временем;

§ как взаимодействует лазерный луч с образовавшейся плазмой.

Упрощенная схема стенда для физических исследований в интересах указанных задач представлена на рис. 4.1. Такие задачи удобнее решать с использованием дос­таточно энергетичного импульсного СО₂ лазера. В основе стенда поставлен лазер, краткое описание которого приведено в параграфе 2.11 [7]. Выходная энергия в импульсе регулировалась в пределах от примерно 30 Дж до 800 Дж. Длительность излу­чаемого импульса порядка 2*10^{– 6} с. Часть исследований велась на стенде с непре­рывным СО₂ лазером мощностью порядка 1 кВт. Здесь исследовались процессы, протекаемые при осуществлении резания и сварки различных конструктивных мате­риалов. Совместно с другими организациями выполнены измерения, определяющие зависимость энергетического порога от длины волны, для чего использовались лазеры, генерирующие излучения на более коротковолновых диапазонах, а так же использовались гармоники некоторых лазеров.

Использованные методики исследований на стенде рис. 4.1.

1. Определялся весь комплекс параметров лазерного луча на выходе генератора и в пятне облучения на объекте: интегральная энергия в импульсе, распределение интенсивности во времени, расходимость луча, плотность энергии в пятне облучения, распределение плотности энергии по пятну. Все данные по регистрации процесса взаимодействия автоматически привязывались к плотности энергии луча в пятне.

2. Регистрировалось возникновение плазмы, динамика развития плазменного факела, его геометрия, размеры и их изменение во времени. Обеспечивалось временное разрешение на уровне 10^{– 7} с.

3. Определялись основные параметры плазмы: концентрация электронов, яркостная и электронная температуры, спектральный состав, плотность излучения и изменение этих характеристик со временем. Для решения таких задач использовались разрешенные во вмени спектральные измерения.

4. Исследовалось взаимодействие лазерного луча с плазмой вообще и с плазмой, возникающей вблизи поверхности объекта в процессе воздействия на него лазерного импульса. В частности, подробно исследовалась степень экранирования плазмой излучения лазера и процессы пробоя нагретых паров материала лазерным лучом.

5.Исследовались магнитные поля, генерируемые находящимся в движении плазменным факелом.

6.С участием других подразделений «Астрофизики» изучались структурные и иные изменения поверхности материала под воздействием лазерного излучения.

7. Были разработаны и использовались методики определения лучевой стойкости и характера изменений, возникающих у кристаллических оптических материалов, приемников лучистых энергий и других приборов и материалов при их облучении, представлявших интерес для наших задач. Рассмотрим основные результаты исследований.

Дата добавления: 2015-10-16