Степени черноты e различных металлов на длинах волн излучения лазеров

Металл	e (20°С)
Ar^+ (500 нм)	Рубин (700 нм)	Nd — ИАГ (1000 нм)	CO2 (10мкм)
Алюминий	0,09	0,11	0,08	0,019
Вольфрам	0,55	0,50	0,41	0,026
Железо	0,68	0,64	—	0,035
Золото	0,58	0,07	—	0,017
Иридий	0,36	0,30	0,22	—
Медь	0,56	0,17	0,10	0,015
Молибден	0,48	0,48	0,40	0,027
Никель	0,40	0,32	0,26	0,03
Ниобий	0,58	0,50	0,32	0,036
Олово	0,20	0,18	0,19	0,034
Платина	0,21	0,15	0,11	0,036
Рений	0,47	0,44	0,28	—
Свинец	0,38	0,35	0,16	0,045
Серебро	0,05	0,04	0,04	0,014
Тантал	0,65	0,50	0,18	0,044
Титан	0,48	0,45	0,42	0,08
Цинк	—	—	0,16	0,027

Степени черноты металлов на длинах волн Ar⁺, рубинового, Nd-ИАГ- и СО₂-лазеров приведены в табл.1. Температурные зависимости ε для некоторых металлов при λ = 1000 нм и 10,6 мкм приведены соответственно на рис. 2. и 3.

Рис. 2. Зависимость ε от температуры Т для некоторых металлов при λ = 1 мкм

Рис. 3. Зависимость e от температуры T для некоторых металлов при λ = 10,6 мкм

ε(10,6 мкм) = 1l,2 [R(1 + γΤ)]^1/2 - 62,9 [R(l + γT)]+174 R(1 + γΤ)]^3/2,

где R ‑ сопротивление при 20°С, γ ‑ коэффициент изменения сопротивления с температурой T°С.

Рис. 4. Зависимость А от температуры Т для нержавеющей стали 304 (λ = 10,6 мкм) при различных состояниях поверхности: о ‑ обработка абразивом Linde В; Δ ‑ в необработанном состоянии;? ‑ обработка абразивом 320 SIC.

Рис. 5. Зависимость ε (10,6 мкм) от температуры Т для нержавеющей стали 304 после ее окисления в течение 1 мин на воздухе при указанных температурах: черными точками отмечены данные, полученные при повышении температуры в печи от 25 до 1000°С; остальные точки соответствуют возврату к исходной температуре. Каждая точка является средней для двух или четырех измерений.

Анализ данных табл. 1 и рис. 1 ‑ 3 показывает, что поглощение лазерного света поверхностями металлов при 20°С видимой области почти на порядок величины больше, чем в ИК-области. Однако приведенные значения ε относятся только к чис­тым металлическим поверхностям при нагреве в вакууме. В большинстве практических применений лазерного нагрева это условие не выполняется из-за образования окислов или наличия поверхностных загрязнений. В этих случаях в ИК-области e может существенно возрасти. При этом в видимой области больших увеличений ε не наблюдается. Таким образом в практических условиях, по-видимому, различие между ε (10,6 мкм) и ε в видимой Для нержавеющей стали 304 при λ = 10,6 мкм приведены на рис. 4. На рис..5 показано влияние на ε (10,6 мкм) окисления в воздухе в течение 1 мин. Очевидно, что ε (10,6 мкм) существенно увеличивается при наличии поверхностных окислов. Поскольку рост толщины слоя окислов при данной температуре зависит от времени, e также зависит от времени, как это видно из рис.6 и 7 соответственно для Mo и Ta.

Рис. 6. Изменение ε (10,6 мкм) для Мо в зависимости от времени окисления на воз­духе при различных температурах

Рис. 7. Изменение ε (10,6 мкм) для Та в зависимости от времени

Эти данные получены, при воздействии непрерывным СО₂-лазером малой мощности. При больших мощностях e может изменяться вследствие различных динамических эффектов. При интенсивностях, достаточных для возникновения пробоя с образованием плазмы в области фокуса, происходит существенное увеличение коэффициента взаимодействия лазерного излучения с мишенью. При этом плазма поглощает некоторую часть падающего лазерного излучения и передает энергию этого излучения мишени в процессе газодинамического расширения. Хотя энергия, передаваемая лазером мишени, может увеличиваться за счет этого механизма, она сообщается на большей площади, чем фокус нормального луча, что может препятствовать тепловым процессам (сверление, удаление материа­ла) в фокусе. Пример увеличения коэффициента взаимодействия с ростом интенсивности приведен на рис. 8. Отметим, что коэффициент теплового взаимодействия эквивалентен e. Эти результаты получены с использованием ТЕА СО₂-лазера с длительностью импульса 0,5 мкс. Показано, что увеличение e при плотности энергии ~10 Дж/см² сопровождается повреждениями поверхности в фокусе. Развитие во времени процесса экрани­рования мишени образующейся плазмой, можно выделить три различные фазы поглощения при воздействии длительного импульса высокой интенсивности на металлическую мишень в воздухе или другой атмосфере.

1. Сильное отражение от мишени.

2. Поглощение плазмой и экранирование мишени.

3. Уменьшение плотности плазмы вследствие разлета и увеличение взаимодействия с мишенью.

На первой фазе, включающей начальные стадии лазерного нагрева, мишень сильно отражает и степень черноты e мала. Материал, испарившийся в фокусе, может смешиваться с газом перед мишенью, инициируя пробой плазмы с образованием поддерживаемой лазером детонационной волны (ЛДВ). Эта волна поглощает прак­тически все падающее лазерное излучение (фаза 2) и экранирует мишень. На пути от мишени к фокусирующей линзе волна рассеивается. Это приводит к уменьшению плотности плазмы и увеличению прозрачности. После этого поверхность воспринимает оставшуюся часть лазерного импульса (фаза 3), эффективно взаимодействующую с поврежденной мишенью.

Рис. 8. Отражательная способность и коэффициент теплового взаимодействия для стали AISI 1045 при l = 10,6 мкм. Максимальная интенсивность излучения оценена для импульса длительностью 0,5 мкс; ● ‑ отражательная способность; ○ ‑ коэффициент теплового взаимодействия

Возникновению новой ЛДВ препятствует низкая плотность газа у мишени после рассеяния начальной ЛДВ.

Хотя роль e может быть существенной на начальных стадиях нагрева металлических мишеней лазерным излучением, величина e не имеет значения во многих практических применениях лазерного нагрева. Влияние e уменьшается, когда происходит удаление материала с образованием на рабочем участке глухого или сквозного отверстий. Образовавшееся глухое отверстие поглощает как черное тело при значении e порядка единицы. Увеличение e при сварке может быть достигнуто соответствующей подгонкой соединяемых частей. В случае глухого отверстия поглощение лазерного излучения плазмой происходит внутри отверстия при e = 1. Данные табл. 1 можно использовать для оценок относительных преимуществ Ar⁺-, рубинового, Nd-ИАГ-и СО₂-лазеров как источников лазерного нагрева. Расчеты теплопереноса показывают, что предельная температура в центре гауссового фокусного пятна массивной мишени будет

Т = eI₀dp^1/2/K,

где I₀ ‑ максимальная интенсивность лазерного излучения (плотность потока) Вт/см²; d ‑ радиус гауссового луча; К ‑ коэффициент теплопроводности.

Рис. 9. Относительная мощность различных лазеров,

вызывающих поверхностное плавление

Рис. 10. Относительная мощность различных лазеров,

вызывающих поверхностное кипение

При оптимальной фокусировке d ~ λ, где λ ‑ длина волны лазерного излучения. Так как I₀ ~ P/λ², где Ρ ‑ мощность лазера, имеем Ρ ~ KTλ/e.

Если принять, что полезный тепловой эффект возникает только при T = T_m или T_b, где T_m — температура плавления, а T_b — температура кипения, это выражение можно использовать для оценки относительной сложности обработки различными лазерными источниками. Сравнение подобного типа приведено на рис. 9 и 10 для плавления и кипения соответственно.

Показанные на этих рисунках корреляции, конечно, весьма ориентировочны, так как предполагается, что значения ε и K при комнатной температуре могут быть использованы и при высоких температурах. Неопределенность этих оценок можно несколько уменьшить, принимая e = 1. Сравнение на этой основе представлено на рис. 11. Из него следует, что для плавления или кипения Ti требуется соотношение мощностей Р(СО₂)/Р(Ar⁺) ~ 20:1. Принимая e < 1, согласно рис. 1, находим соответствующее отношение, приблизительно равное 120.

Рис. 11. Относительная мощность, при которой достигается температура в интервале между температурой плавления T_m и температурой кипения T_b в предположении e = 1

Рис. 12. Падающий на поверхность металла луч и отраженный от нее луч

Таким образом, хотя для начала повреждения поверхности инфракрасные лазеры должны иметь большую мощность, чем лазеры, работающие на длинах волн видимой области, после начала повреждения (т.е. ε ~ 1) эффект увеличенного размера пятна инфракрасных лазеров в значительной степени ослабляется.

Рис. 13. Угловая зависимость отражательной способности для луча с перпендику­лярной p и продольной s поляризациями (λ = 10,6 мкм), падающего на поверхность меди, при 20 и 1000°С

При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от поляризации, как показано на схеме для некоторого произвольного угла падения φ (рис.12): Отражательные способности R_s и R_p при двух направлениях поляризации s и p в общем случае различны. Это означает, что отражательная способность поляризованного лазерного света зависит от ориентации вектора поляризации относительно поверхности металла.

Пример угловой зависимости R_s и R_p для Cu (λ = 10,6 мкм) приведен на рис. 13. Видно, что R_s, велико при всех углах. Однако R_s становится очень малым при касательном падении. Таким образом, при перпендикулярной к поверхности металла поляризации падающего света e возрастает и взаимодействие усиливается. Это имеет существенные последствия для лазерной обработки, когда эффективность удаления материала зависит от соотношения между направлением поляризации и направлением движения металлической подложки.

Дата добавления: 2015-07-20