ლაზერული შთანთქმის სიჩქარე და ლაზერული მასალის ურთიერთქმედების მატერიის მდგომარეობის ცვლილებები

ლაზერსა და მასალებს შორის ურთიერთქმედება მოიცავს ბევრ ფიზიკურ მოვლენას და მახასიათებელს. შემდეგი სამი სტატია გააცნობს ლაზერული შედუღების პროცესთან დაკავშირებულ სამ ძირითად ფიზიკურ მოვლენას, რათა კოლეგებს უფრო მკაფიოდ გაიგონ.ლაზერული შედუღების პროცესი: დაყოფილია ლაზერული შთანთქმის სიჩქარეზე და მდგომარეობის, პლაზმისა და გასაღების ეფექტზე. ამჯერად, ჩვენ განვაახლებთ ურთიერთობას ლაზერის მდგომარეობისა და მასალების მდგომარეობასა და შთანთქმის სიჩქარეს შორის.

მატერიის მდგომარეობის ცვლილებები გამოწვეულია ლაზერისა და მასალების ურთიერთქმედებით

ლითონის მასალების ლაზერული დამუშავება ძირითადად ეფუძნება ფოტოთერმული ეფექტების თერმულ დამუშავებას. როდესაც ლაზერული დასხივება გამოიყენება მასალის ზედაპირზე, სხვადასხვა ცვლილებები მოხდება მასალის ზედაპირის ფართობზე სხვადასხვა სიმძლავრის სიმკვრივით. ეს ცვლილებები მოიცავს ზედაპირის ტემპერატურის მატებას, დნობას, აორთქლებას, გასაღების ხვრელის წარმოქმნას და პლაზმის წარმოქმნას. უფრო მეტიც, მატერიალური ზედაპირის ფიზიკური მდგომარეობის ცვლილებები დიდ გავლენას ახდენს მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმაზე. სიმძლავრის სიმკვრივისა და მოქმედების დროის მატებასთან ერთად, ლითონის მასალა გაივლის შემდეგ ცვლილებებს:

როცალაზერული სიმძლავრესიმკვრივე დაბალია (<10 ^ 4 ვ/სმ ^ 2) და დასხივების დრო მოკლეა, ლითონის მიერ შთანთქმული ლაზერის ენერგია შეიძლება გამოიწვიოს მხოლოდ მასალის ტემპერატურის აწევა ზედაპირიდან შიგნით, მაგრამ მყარი ფაზა უცვლელი რჩება. . იგი ძირითადად გამოიყენება ნაწილის ანეილირებისა და ფაზური ტრანსფორმაციის გამკვრივების სამკურნალოდ, უმეტესად იარაღები, მექანიზმები და საკისრები;

ლაზერული სიმძლავრის სიმკვრივის მატებასთან ერთად (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) და დასხივების დროის გახანგრძლივებასთან ერთად, მასალის ზედაპირი თანდათან დნება. როგორც შეყვანის ენერგია იზრდება, თხევადი-მყარი ინტერფეისი თანდათან მოძრაობს მასალის ღრმა ნაწილისკენ. ეს ფიზიკური პროცესი ძირითადად გამოიყენება ლითონების ზედაპირის ხელახალი დნობის, შენადნობების, მოპირკეთების და თბოგამტარობის შედუღებისთვის.

სიმძლავრის სიმკვრივის შემდგომი გაზრდით (>10 ^ 6w/cm ^ 2) და ლაზერის მოქმედების დროის გახანგრძლივებით, მასალის ზედაპირი არა მხოლოდ დნება, არამედ ორთქლდება და აორთქლებული ნივთიერებები გროვდება მასალის ზედაპირთან და სუსტად იონირდება პლაზმის შესაქმნელად. ეს თხელი პლაზმა ეხმარება მასალას ლაზერის ათვისებაში; აორთქლებისა და გაფართოების ზეწოლის ქვეშ, თხევადი ზედაპირი დეფორმირდება და ქმნის ორმოებს. ეს ეტაპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაზერული შედუღებისთვის, ჩვეულებრივ მიკრო კავშირების თბოგამტარობის შედუღებისას 0,5 მმ-ის ფარგლებში.

სიმძლავრის სიმკვრივის შემდგომი გაზრდით (>10 ^ 7 ვ/სმ ^ 2) და დასხივების დროის გახანგრძლივებით, მასალის ზედაპირი განიცდის ძლიერ აორთქლებას, წარმოქმნის პლაზმას მაღალი იონიზაციის ხარისხით. ამ მკვრივ პლაზმას აქვს დამცავი ეფექტი ლაზერზე, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს ლაზერის ენერგიის სიმკვრივეს მასალაში. ამავდროულად, დიდი ორთქლის რეაქციის ძალის ქვეშ, მდნარი ლითონის შიგნით წარმოიქმნება პატარა ხვრელები, საყოველთაოდ ცნობილი როგორც გასაღების ხვრელები. შედუღება, ჭრა და ბურღვა, ზემოქმედების გამკვრივება და ა.შ.

სხვადასხვა პირობებში, სხვადასხვა მეტალის მასალებზე ლაზერული დასხივების სხვადასხვა ტალღის სიგრძე გამოიწვევს სიმძლავრის სიმკვრივის სპეციფიკურ მნიშვნელობებს თითოეულ ეტაპზე.

მასალების მიერ ლაზერის შთანთქმის თვალსაზრისით, მასალების აორთქლება არის საზღვარი. როდესაც მასალა არ განიცდის აორთქლებას, მყარ თუ თხევად ფაზაში, ლაზერის შთანთქმა მხოლოდ ნელა იცვლება ზედაპირის ტემპერატურის მატებასთან ერთად; მას შემდეგ, რაც მასალა ორთქლდება და წარმოქმნის პლაზმასა და გასაღებს, მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმა უეცრად შეიცვლება.

როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2, ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე მასალის ზედაპირზე ლაზერული შედუღების დროს იცვლება ლაზერის სიმძლავრის სიმკვრივისა და მასალის ზედაპირის ტემპერატურის მიხედვით. როდესაც მასალა არ დნება, მასალის შთანთქმის სიჩქარე ლაზერში ნელ-ნელა იზრდება მასალის ზედაპირის ტემპერატურის მატებასთან ერთად. როდესაც სიმძლავრის სიმკვრივე აღემატება (10 ^ 6 ვ/სმ ^ 2), მასალა ძალადობრივად ორთქლდება და ქმნის გასაღების ხვრელს. ლაზერი შედის გასაღების ხვრელში მრავალი არეკვლისა და შთანთქმისთვის, რის შედეგადაც მნიშვნელოვნად იზრდება მასალის შთანთქმის სიჩქარე ლაზერთან და მნიშვნელოვნად იზრდება დნობის სიღრმე.

ლაზერის შეწოვა ლითონის მასალებით - ტალღის სიგრძე

ზემოაღნიშნული ფიგურა გვიჩვენებს ურთიერთობის მრუდი არეკვლის, შთანთქმის და ტალღის სიგრძეს შორის ჩვეულებრივ გამოყენებული ლითონების ოთახის ტემპერატურაზე. ინფრაწითელ რეგიონში შთანთქმის სიჩქარე მცირდება და არეკვლა იზრდება ტალღის სიგრძის მატებასთან ერთად. ლითონების უმეტესობა ძლიერად ირეკლავს 10,6 მმ (CO2) ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ სინათლეს, ხოლო სუსტად ასახავს 1,06 მმ (1060 ნმ) ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ სინათლეს. ლითონის მასალებს აქვთ უფრო მაღალი შთანთქმის სიჩქარე მოკლე ტალღის სიგრძის ლაზერებისთვის, როგორიცაა ლურჯი და მწვანე შუქი.

ლაზერის შეწოვა ლითონის მასალებით - მასალის ტემპერატურა და ლაზერული ენერგიის სიმკვრივე

მაგალითად, ალუმინის შენადნობი რომ მივიღოთ, როდესაც მასალა მყარია, ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე არის დაახლოებით 5-7%, სითხის შთანთქმის მაჩვენებელი 25-35% -მდეა და შეიძლება მიაღწიოს 90% -ზე მეტს გასაღების ხვრელის მდგომარეობაში.

მასალის შთანთქმის სიჩქარე ლაზერში იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ლითონის მასალების შეწოვის სიჩქარე ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან დაბალია. როდესაც ტემპერატურა იზრდება დნობის წერტილამდე, მისი შთანთქმის სიჩქარე შეიძლება მიაღწიოს 40%-60%-ს. თუ ტემპერატურა ახლოსაა დუღილის წერტილთან, მისი შთანთქმის სიჩქარე შეიძლება მიაღწიოს 90%-ს.

ლაზერის შეწოვა ლითონის მასალებით - ზედაპირის მდგომარეობა

ჩვეულებრივი შთანთქმის სიჩქარე იზომება გლუვი ლითონის ზედაპირის გამოყენებით, მაგრამ ლაზერული გათბობის პრაქტიკულ გამოყენებაში, როგორც წესი, საჭიროა გარკვეული მაღალი არეკვლის მასალების (ალუმინი, სპილენძი) შთანთქმის სიჩქარის გაზრდა, რათა თავიდან იქნას აცილებული მაღალი ანარეკლებით გამოწვეული ცრუ შედუღება;

შემდეგი მეთოდების გამოყენება შესაძლებელია:

1. ზედაპირის წინასწარი დამუშავების პროცესების დანერგვა ლაზერის არეკვლის გასაუმჯობესებლად: პროტოტიპის დაჟანგვა, ქვიშის აფეთქება, ლაზერული გაწმენდა, ნიკელის დაფარვა, თუნუქის მოპირკეთება, გრაფიტის საფარი და ა.შ. ამ ყველაფერს შეუძლია გააუმჯობესოს მასალის ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე;

ბირთვი მიზნად ისახავს მასალის ზედაპირის უხეშობის გაზრდას (რაც ხელს უწყობს მრავალჯერადი ლაზერული არეკვლისა და შთანთქმისთვის), ასევე საფარის მასალის გაზრდას მაღალი შთანთქმის სიჩქარით. ლაზერული ენერგიის შთანთქმის და მაღალი შთანთქმის სიჩქარის მასალების მეშვეობით მისი დნობისა და აორთქლების გზით, ლაზერული სითბო გადაეცემა საბაზისო მასალას, რათა გააუმჯობესოს მასალის შთანთქმის სიჩქარე და შეამციროს ვირტუალური შედუღება, რომელიც გამოწვეულია მაღალი არეკვლის ფენომენით.