ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე და ლაზერული მასალის ურთიერთქმედების მატერიის მდგომარეობის ცვლილებები

ლაზერსა და მასალებს შორის ურთიერთქმედება მოიცავს მრავალ ფიზიკურ მოვლენასა და მახასიათებელს. შემდეგი სამი სტატია წარმოადგენს ლაზერული შედუღების პროცესთან დაკავშირებულ სამ ძირითად ფიზიკურ მოვლენას, რათა კოლეგებს უფრო ნათელი წარმოდგენა შეექმნათ...ლაზერული შედუღების პროცესი: დაყოფილია ლაზერის შთანთქმის სიჩქარედ და მდგომარეობის ცვლილებებად, პლაზმად და ნახვრეტის ეფექტად. ამჯერად, ჩვენ განვაახლებთ ლაზერისა და მასალების მდგომარეობის ცვლილებებსა და შთანთქმის სიჩქარეს შორის კავშირს.

ლაზერსა და მასალებს შორის ურთიერთქმედებით გამოწვეული ნივთიერების მდგომარეობის ცვლილებები

ლითონის მასალების ლაზერული დამუშავება ძირითადად ფოტოთერმული ეფექტების თერმულ დამუშავებას ეფუძნება. როდესაც ლაზერული დასხივება გამოიყენება მასალის ზედაპირზე, სხვადასხვა სიმძლავრის სიმკვრივის დროს მასალის ზედაპირის ფართობში სხვადასხვა ცვლილებები მოხდება. ეს ცვლილებები მოიცავს ზედაპირის ტემპერატურის მატებას, დნობას, აორთქლებას, ნახვრეტის წარმოქმნას და პლაზმის წარმოქმნას. გარდა ამისა, მასალის ზედაპირის ფიზიკური მდგომარეობის ცვლილებები მნიშვნელოვნად მოქმედებს მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმაზე. სიმძლავრის სიმკვრივისა და მოქმედების დროის ზრდასთან ერთად, ლითონის მასალა განიცდის მდგომარეობის შემდეგ ცვლილებებს:

როდესაცლაზერული სიმძლავრესიმკვრივე დაბალია (<10 ^ 4w/cm ^ 2) და დასხივების დრო მოკლეა, ლითონის მიერ შთანთქმული ლაზერული ენერგია მხოლოდ მასალის ტემპერატურის ზედაპირიდან შიგნით აწევას იწვევს, მაგრამ მყარი ფაზა უცვლელი რჩება. ის ძირითადად გამოიყენება ნაწილების გამოწვისა და ფაზური გარდაქმნის გამკვრივებისთვის, ძირითადად ხელსაწყოებით, მექანიზმებითა და საკისრებით;

ლაზერის სიმძლავრის სიმკვრივის ზრდასთან ერთად (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) და დასხივების დროის გახანგრძლივებასთან ერთად, მასალის ზედაპირი თანდათან დნება. შემავალი ენერგიის ზრდასთან ერთად, სითხე-მყარი ზედაპირი თანდათან მოძრაობს მასალის ღრმა ნაწილისკენ. ეს ფიზიკური პროცესი ძირითადად გამოიყენება ლითონების ზედაპირის ხელახალი დნობის, შენადნობის, მოპირკეთების და თბოგამტარობის შედუღებისთვის.

სიმძლავრის სიმკვრივის შემდგომი გაზრდით (>10 ^ 6w/cm ^ 2) და ლაზერის მოქმედების დროის გახანგრძლივებით, მასალის ზედაპირი არა მხოლოდ დნება, არამედ ორთქლდება კიდეც, ხოლო აორთქლებული ნივთიერებები გროვდება მასალის ზედაპირთან ახლოს და სუსტად იონიზდება პლაზმის წარმოქმნით. ეს თხელი პლაზმა ეხმარება მასალას ლაზერის შთანთქმაში; აორთქლებისა და გაფართოების წნევის ქვეშ, სითხის ზედაპირი დეფორმირდება და ორმოებს წარმოქმნის. ეს ეტაპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაზერული შედუღებისთვის, როგორც წესი, 0.5 მმ-ის ფარგლებში მიკრო შეერთებების თბოგამტარობის შედუღებისას.

სიმძლავრის სიმკვრივის (>10 ^ 7w/cm ^ 2) შემდგომი გაზრდით და დასხივების დროის გახანგრძლივებით, მასალის ზედაპირი განიცდის ძლიერ აორთქლებას, რაც წარმოქმნის მაღალი იონიზაციის ხარისხის მქონე პლაზმას. ეს მკვრივი პლაზმა ლაზერზე დამცავ ეფექტს ახდენს, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს მასალაში დაცემული ლაზერის ენერგიის სიმკვრივეს. ამავდროულად, ორთქლის დიდი რეაქციის ძალის ქვეშ, გამდნარი ლითონის შიგნით წარმოიქმნება პატარა ხვრელები, რომლებიც ჩვეულებრივ ცნობილია როგორც საკეტის ხვრელები. საკეტის ხვრელების არსებობა სასარგებლოა მასალისთვის ლაზერის შთანთქმისთვის და ეს ეტაპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაზერული ღრმა დნობის შედუღებისთვის, ჭრისა და ბურღვისთვის, დარტყმითი გამკვრივებისთვის და ა.შ.

სხვადასხვა პირობებში, სხვადასხვა ლითონის მასალებზე ლაზერული დასხივების სხვადასხვა ტალღის სიგრძე გამოიწვევს სიმძლავრის სიმკვრივის კონკრეტულ მნიშვნელობებს თითოეულ ეტაპზე.

მასალების მიერ ლაზერის შთანთქმის თვალსაზრისით, მასალების აორთქლება საზღვარია. როდესაც მასალა არ განიცდის აორთქლებას, იქნება ეს მყარი თუ თხევადი ფაზაში, მისი ლაზერის შთანთქმა მხოლოდ ნელა იცვლება ზედაპირის ტემპერატურის მატებასთან ერთად; როგორც კი მასალა აორთქლდება და პლაზმასა და ღრმულებს წარმოქმნის, მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმა მოულოდნელად შეიცვლება.

როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში, ლაზერული შედუღების დროს მასალის ზედაპირზე ლაზერის შთანთქმის სიჩქარე იცვლება ლაზერის სიმძლავრის სიმკვრივისა და მასალის ზედაპირის ტემპერატურის მიხედვით. როდესაც მასალა არ არის დნობა, მასალის ლაზერისთვის შთანთქმის სიჩქარე ნელ-ნელა იზრდება მასალის ზედაპირის ტემპერატურის მატებასთან ერთად. როდესაც სიმძლავრის სიმკვრივე (10 ^ 6w/cm ^ 2-ზე მეტია), მასალა სწრაფად ორთქლდება და ქმნის საკეტის ხვრელს. ლაზერი შედის საკეტის ხვრელში მრავალჯერადი არეკვლისა და შთანთქმისთვის, რაც იწვევს მასალის ლაზერისთვის შთანთქმის სიჩქარის მნიშვნელოვან ზრდას და დნობის სიღრმის მნიშვნელოვან ზრდას.

ლაზერის შთანთქმა ლითონის მასალების მიერ - ტალღის სიგრძე

ზემოთ მოცემული ფიგურა ასახავს ოთახის ტემპერატურაზე ხშირად გამოყენებული ლითონების არეკვლის უნარს, შთანთქმის უნარსა და ტალღის სიგრძეს შორის ურთიერთობის მრუდს. ინფრაწითელ რეგიონში შთანთქმის სიჩქარე მცირდება და არეკვლის უნარი იზრდება ტალღის სიგრძის ზრდასთან ერთად. ლითონების უმეტესობა ძლიერად ირეკლავს 10.6 მკმ (CO2) ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ სინათლეს, ხოლო სუსტად ირეკლავს 1.06 მკმ (1060 ნმ) ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ სინათლეს. ლითონის მასალებს უფრო მაღალი შთანთქმის სიჩქარე აქვთ მოკლე ტალღის სიგრძის ლაზერებისთვის, როგორიცაა ლურჯი და მწვანე სინათლე.

ლაზერის შთანთქმა ლითონის მასალების მიერ - მასალის ტემპერატურა და ლაზერის ენერგიის სიმკვრივე

მაგალითად, ალუმინის შენადნობის შემთხვევაში, როდესაც მასალა მყარია, ლაზერის შთანთქმის მაჩვენებელი დაახლოებით 5-7%-ია, სითხის შთანთქმის მაჩვენებელი 25-35%-მდეა, ხოლო „საკეტის ხვრელის“ მდგომარეობაში მას შეუძლია 90%-ზე მეტი მიაღწიოს.

ლაზერის მიერ მასალის შთანთქმის სიჩქარე იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ლითონის მასალების შთანთქმის სიჩქარე ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან დაბალია. როდესაც ტემპერატურა დნობის წერტილთან ახლოს იზრდება, მისი შთანთქმის სიჩქარემ შეიძლება 40%-დან 60%-მდე მიაღწიოს. თუ ტემპერატურა დუღილის წერტილთან ახლოსაა, მისი შთანთქმის სიჩქარემ შეიძლება 90%-ს მიაღწიოს.

ლაზერის შთანთქმა ლითონის მასალების მიერ - ზედაპირის მდგომარეობა

ჩვეულებრივი შთანთქმის სიჩქარე იზომება გლუვი ლითონის ზედაპირის გამოყენებით, მაგრამ ლაზერული გათბობის პრაქტიკული გამოყენებისას, როგორც წესი, აუცილებელია გარკვეული მაღალი არეკვლის მქონე მასალების (ალუმინი, სპილენძი) შთანთქმის სიჩქარის გაზრდა, რათა თავიდან იქნას აცილებული მაღალი არეკვლის შედეგად გამოწვეული ცრუ შედუღება;

შემდეგი მეთოდების გამოყენება შესაძლებელია:

1. ლაზერის არეკვლის გასაუმჯობესებლად შესაბამისი ზედაპირის წინასწარი დამუშავების პროცესების გამოყენება: პროტოტიპის დაჟანგვა, ქვიშაქვით დამუშავება, ლაზერული გაწმენდა, ნიკელის მოპირკეთება, თუნუქის მოპირკეთება, გრაფიტის საფარი და ა.შ. - ყველა ეს მეთოდი აუმჯობესებს მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმის სიჩქარეს;

ბირთვი მიზნად ისახავს მასალის ზედაპირის უხეშობის გაზრდას (რაც ხელს უწყობს ლაზერული სხივების მრავალჯერად არეკვლას და შთანთქმას), ასევე მაღალი შთანთქმის მაჩვენებლის მქონე საფარის მასალის გაზრდას. ლაზერული ენერგიის შთანთქმით და მისი მაღალი შთანთქმის მაჩვენებლის მქონე მასალების მეშვეობით დნობითა და აორთქლებით, ლაზერული სითბო გადაეცემა საბაზისო მასალას, რათა გააუმჯობესოს მასალის შთანთქმის სიჩქარე და შეამციროს მაღალი არეკვლის ფენომენით გამოწვეული ვირტუალური შედუღება.